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JavaScript

모던 자바스크립트 Deep Dive / 38장 브라우저의 렌더링 과정

Griffin. 2024. 10. 19. 21:21

Node.js의 등장으로 자바스크립트는 서버 사이드 애플리케이션 개발에서도

사용할 수 있는 범용 개발 언어가 되었지만, 가장 많이 사용되는 분야는 역시

웹 브라우저 환경에서 동작하는 웹페이지/애플리케이션의 클라이언트 사이드다.

 

웹 애플리케이션의 클라이언트 사이드 자바스크립트는 브라우저에서 HTML, CSS와 함께

실행되므로 브라우저 환경을 고려할 때 더 효율적인 프로그래밍이 가능하다.

이를 위해 브라우저저가 각 문서를 어떻게 파싱(해석)하여 렌더링 하는지 알아보자.

파싱 parsing 파싱은 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해하고, 토큰*에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리를 생성하는 일련의 과정을 말한다.
일반적으로 파싱이 완료된 이후에는 파스 트리를 기반으로 중간 언어인 바이트 코드를 생성하고 실행한다.
렌더링 rendering 렌더링은 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것을 말한다.

* 토큰 : 문법적인 의미를 가지며 문법적으로 더 나눌 수 없는 코드의 기본 요소

 

브라우저의 렌더링 과정은 다음과 같다.

 

1. 브라우저는 HTML, CSS, JS, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고
   서버로부터 응답을 받는다.

 

2. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS 파싱하여 DOM과 CSSOM을
   생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.

 

3. 브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST를 생성하고
   바이트 코드로 변환하여 실행한다. 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나
   CSSOM을 변경할 수 있다. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.

 

4. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃을 계산하고 브라우저 화면에
   HTML 요소를 페인팅한다.

 

 

요청과 응답

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버로부터 응답받아

브라우저에 시각적으로 렌더링하는 것이다.

 

서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공한다.

주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로

변환되고 이 IP 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.

 

일반적으로 서버는 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html을 응답하도록 기본 설정되어 있다.

따라서 서버는 루트 요청에 대해 서버의 루트 폴더에 존재하는 index.html을

클라이언트(브라우저)에 응답한다.

다른 정적 파일을 서버에 요청하려면 정적 파일의 경로(서버의 루트 폴더 기준)와 파일 이름을

URL 호스트 뒤 패스에 기술하여 서버에 요청한다.

 

HTTP 1.1과 HTTP 2.0

HTTP는 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜(규약)이다.

1999년에 발표된 1.1과 2015년 발표된 2.0의 차이점을 간략히 살펴보자.

 

HTTP 1.1

기본적으로 커넥션 당 하느이 요청과 응답만 처리한다.

-> 여러 개의 요청을 한 번에 전송/응답 할 수 없어 요청할 리소스 개수에 비례해

응답 시간이 증가하는 단점이 있다.

 

HTTP 2.0

커넥션당 여러 개의 요청과 응답(다중 요청/응답)이 가능하다.

-> 여러 리소스의 동시 전송이 가능하여 1.1 에 비해 페이지 로드 속도가 50% 가량 빠르다.

 

HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저의 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트다.

이 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야

브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링이 가능하다.

<!DOCTYPE html>
<html lang="kr">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <link rel="stylesheet" href="style.css" />
    <title>Title</title>
  </head>
  <body>
    <ul>
      <li id="apple">Apple</li>
      <li id="banana">Banana</li>
      <li id="orange">Orange</li>
    </ul>
    <script src="app.js"></script>
  </body>
</html>

 

위 예제의 index.html이 서버로부터 응답되었다면 브라우저의 렌더링 엔진은

응답받은 HTML 문서를 파싱해 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM*을 생성한다.

* DOM : Document Object Model

1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다.

이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답한다.

 

2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트 형태로 응답받는다.

응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식 (예 : UTF-8) 기준으로 문자열로 변환된다.

 

3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여  문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.

 

4. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성한다.

토큰의 내용에 따라 문서/요소/어트리뷰트/텍스트 노드가 생성된다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본요소가 된다.

 

5.HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 갖는다.

이러한 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된

트리 자료구조를 DOM 이라고 부른다.

 

즉, DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.

 

CSS 파싱과 CSSOM 생성

렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한 줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성해 가는데,

CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드한

CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS 를 동일한 파싱 과정 (바이트 문자 토큰 노드 CSSOM)을

거치며 해석해 CSSOM CSS Object Model 을 생성한다.

 

이후 CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작해

DOM 생성을 재개한다.

body {
	font-size : 18px;
}

ul {
	list-style-type: none;
}

 

위와 같은 CSS 파일이 서버로부터 응답되었다면

바이트 -> 문자 -> 토큰 -> 노드 -> CSSOM 을 거쳐 파싱해 CSSOM을 생성한다.

CSSOM은 CSS의 상속을 반영하여 생성된다.

 

렌더 트리 생성

렌더링 엔진은 DOM과 CSSOM을 생성하고 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해

렌더 트리로 결합된다. 렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조다.

따라서 화면에 렌더링 되지 않는 노드(meta, script 태그 등)와 CSS에 의해

비표시(display : none)되는 노드들은 포함하지 않는다.

 

이후 완성된 렌더트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계사하는 데 사용되며

브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.

 

브라우저의 렌더링과정, 레이아웃 계산과 페인팅은 다음과 같은 경우 반복해서 실행된다.

  • 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
  • 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
  • HTML 요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는 스타일 변경

레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 성능에 악영향을 주는 작업이므로

빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있다.

 

자바스크립트 파싱과 실행

HTML 문서 파싱의 결과물인 DOM은 HTML 문서의 구조와 정보뿐만 아니라

HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API를 제공한다.

자바스크립트 코드에서 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있다.

 

CSS 파싱 과정과 마찬가지로 렌더링 엔진은 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그나

코드를 담은 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다. 그리고 script 태그의

src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 자바스크립트 파일/코드를

파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘긴다.

이후 파싱이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 DOM 생성을 재개한다.

 

자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다.

자바스크립트 엔진은 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 이는 저수준 언어로 변환하고

실행하는 역할을 한다. 모든 자바스크립트 엔진은 ECMAScript 사양을 준수한다.

 

제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 코드를 파싱하기 시작한다.

자바스크립트 엔진은 코드를 해석하여 AST Abstract Syntax Tree (추상적 구문 트리)를

생성한다. 그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간코드인 바이트 코드를

생성하여 실행한다.

 

토크나이징

단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석해 문법적 의미를 갖는

최소 단위인 토큰들로 분해한다.

 

파싱

토큰들의 집합을 구문 분석하여 AST를 생성한다.

 

바이트코드 생성과 실행

파싱의 결과물로서 생성된 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로

변환되고 인터프리터에 의해 실행된다.

 

리플로우와 리페인트

자바스크립트 코드가 DOM API를 사용하여 DOM이나 CSSOM을 변경한 경우

변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 

레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다.

이를 리플로우, 리페인트라 한다.

 

리플로우는 레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며, 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경,

윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.

리페인트는 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.

 

따라서 둘이 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니며, 레이아웃에 영향이 없는 변경은

리플로우 없이 리페인트만 실행된다.

 

자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

브라우저는 동기적(위에서 아래)으로 순차적으로 HTML, CSS, 자바스크립트를 파싱하고

실행한다. 이것은 script 태그의 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹되어 DOM 생성이

지연 될 수 있음을 의미한다. 이로 인해 script 태그의 위치는 중요한 의미를 갖는다.

 

자바스크립트 코드에서 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API를 사용할 경우

DOM이나 CSSOM이 이미 생성되어 있어야한다. 완성되지 않은 상태에서 DOM을

조작할 경우 에러가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 회피하기 위해 body 요소의

가장 아래에 자바스크립트를 위치시키는 것이 좋은 아이디어다.

 

가장 아래에 위치시키면 자바스크립트 로딩/파싱/실행으로 인해 HTML 요소들의

렌더링에 지장받는 일이 발생하지 않아 페이지 로딩 시간이 단축되기도 한다.

 

script 태그의 async/defer 어트리뷰트

자바스크립트 파싱에 의한 DOM 생성이 중단되는 문제를 근본적으로 해결하기 위해

HTML5부터 script 태그에 async, defer 어트리뷰트가 추가되었다.

<script async src="extern.js"></script>
<script defer src="extern.js"></script>

 

다음과 같이 src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만

사용할 수 있다. 이 둘을 사용하면 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가

비동기적으로 진행된다. 하지만 자바스크립트 실행 시점에 차이가 있다.

 

async 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.

단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며

이때 HTML 파싱이 중단된다.

 

여래개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 순서와는 상관없이 로드가

완료된 자바스크립트부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않는다.

 

defer 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.

자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료돼 DOM 생성이 완료된 직후 진행되는데

이때 DOMContentLoaded 이벤트가 발생한다. 

DOMContentLoaded
- HTML 문서의 구조가 전부 파싱되어 DOM을 생성했을 때 발생
- 자바스크립트 코드가 DOM에 접근할 수 있는 상태를 뜻함

 

따라서 DOM 생성이 완료된 이후 실행되어야 할 자바스크립트에 유용하다.

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