Javascript 비동기 함수의 동작원리 (feat. EventLoop)

Overview

이번 포스팅에서는 최근 Javascript관련 포스팅 3개를 작성하면서 개인적으로 궁금했던 내용을 다뤄보려고 합니다.
(1) 호다닥 톺아보는 Callback 함수
(2) 호다닥 톺아보는 Promise
(3) 호다닥 톺아보는 async&await

Javascript는 Single Thread

Javascript는 Single Thread기반 언어입니다.

즉, 한 번에 하나의 작업만 수행이 가능하다는 의미입니다.

그런데 여러 경우에서 동시에 병렬로 처리해야하는 작업들이 있습니다.
예를 들어 브라우저상에서 이미지 로딩이라던지, 스크롤 액션, 버튼 누르기 등등이 있죠.
버튼 누를때마다 작업이 완료될때까지 화면이 멈춘다면 최악의 유저경험을 선사해줄 수 있을겁니다.

그래서 Javascript는 비동기 함수들을 사용할 수 있게 지원해주고 있습니다.

비동기를 배울 때 가장 많이 사용하는 함수인 setTimeout이라던지, ajax, 또는 Promise객체를 반환함으로써 직접 비동기 함수를 만들 수도 있습니다.

근데 Javascript는 Single Thread언어인데 어떻게 비동기 로직을 다룰 수 있는걸까요?
Promise객체는 대체 어떤 녀석이길래 함수에서 return new Promise만 해주면 비동기가 되는걸까요?

Call Stack

비동기 로직을 이해하기 전에 우선 Javascript에서 함수의 호출과 처리가 어떤식으로 동작하는지 알아볼 필요가 있습니다.

Call Stack은 함수의 호출을 스택방식으로 기록하는 자료구조입니다.
프로그램에서 요청이 들어올 때마다, 순서대로 스택에 담고, 가장 나중에 들어온 작업을 먼저 처리하는 LIFO(Last In First Out) 의 구조입니다.

Javascript는 Single Thread 기반 언어이기 때문에 하나의 Call Stack만을 가지고 있고, 한 번에 하나의 Task만 처리할 수 있습니다.

간단한 코드 하나를 보겠습니다.

function fifth() { }
function fourth() { fifth() }
function third() { fourth() }
function second() { third() }
function first() { second() }

first();

최상단 코드레벨에서 first라는 함수가 호출되었고 -> second부터 fifth까지 차례대로 호출되고 마지막 fifth함수부터 실행되고 반환되는 것을 확인할 수 있습니다.

이렇게 동기 로직에서는 하나의 Task가 종료될 때까지 다른 Task는 실행되지 못하고 순차적으로만 실행될 수 있습니다.

Promise

다음은 Promise를 살펴보겠습니다.

function promiseFunc(){
  return new Promise(function(res, rej)     
  {// Doing something!
    res(1);
  });
}
console.log("2");
promiseFunc().then(console.log);
console.log("3")

1을 리턴하는 아주 간단한 Promise예제입니다.

Promise가 포함되니 기존의 코드와 약간 동작이 달라집니다.

1. console.log("2") 실행
2. promiseFunc() 실행
3. promise의 then으로 전달되는 Callback함수가 Microtask Queue에 적재
4. console.log("3") 실행
5. Call Stack 비었음
6. Event loop가 MicrotaskQueue에 쌓인 Task를 call stack에 다시 적재
7. console.log("1") 실행

이처럼 Promise, async/await와 같은 비동기 호출의 Callback 함수들은 Microtask Queue에 담기게 되고 FIFO(First In First Out)의 형태로 실행됩니다.

Eventloop는 현재 실행중인 Task가 있는지, Queue들에 적재된 Task가 있는지 주기적으로 확인하고,
만약 실행중인 Task가 Call Stack에 없다면 Queue에서 Task를 꺼내와 Call Stack에 올리고 실행시키는 역할을 합니다.

즉, Promise를 반환하면 비동기로 실행된다고 해서 병렬로 실행된다는 아니라는 것입니다.
정확히 말하면 Promise의 then, catch, finally로 전달되는 Callback 함수가 비동기로 실행되는 것이죠!

비동기함수를 동기처럼 실행시키려고 Callback함수를 붙인건데 정작 비동기로 실행되는 부분은 Callback함수라니 재밌고도 헷갈리는 것 같습니다.

특정 코드의 연산이 끝날 때까지 코드의 실행을 멈추지 않고, 다음코드를 먼저 실행하는게 Javascript의 비동기처리 라고 보면 될 것 같습니다.

한줄정리

• Event loop는 call stack을 지켜보다 비어있으면 Queue에 적재된 task를 실행
• Promise의 callback함수는 Microtask Queue에 적재

async & await

그럼 이번엔 async와 await의 동작도 한번 보겠습니다.

function promiseFunc(){
  return new Promise(function(res, rej)   
  {// Doing something!
    console.log("0")
    res(1);
  });
}

async function asyncFunc(){
  console.log("2");
  const res = await promiseFunc();
  console.log(res);
}

console.log("3");
asyncFunc();
console.log("4");

1. console.log("3") 실행
2. asyncFunc() 실행
3. console.log("2") 실행
4. promiseFunc() 실행
5. console.log("0") 실행
6. promise 반환
7. ✨await를 만나면 Microtask Queue에 적재
8. console.log("4") 실행
9. Call Stack이 비었음
10. Event loop가 Microtask Queue에 쌓인 Task를 call stack에 다시 적재
11. ✨await 이후 작업 진행 (console.log("1"))

한줄정리

• await를 만나면 작업을 중지하고 Microtask Queue에 적재된다

WebAPI

그러면 Javascript 비동기 함수의 대표적 예시인 setTimeout과 같은 녀석들은 어떻게 처리되는 걸까요?

타이머기능이나 서버통신과 같은 작업들이야말로 병렬로 처리되어야 할 것 같은데요.

웹 코드를 작성하는데 필요한 작업들을 모아둔 API들이 있습니다.
Web API라고 부르고 이들은 브라우저나 nodeJS와 같은 런타임에 탑재되어 있습니다.

놀랍게도 대표적으로 사용하는 Javascript Engine인 v8 (구글 크롬, NodeJS에서 사용)에는 Web API가 정의되어 있지 않습니다.

사용 가능한 전체 Web API목록은 -> 여기

HTML DOM에 관한 API, ajax에 사용되는 XMLHttpRequest, network통신할때 사용하는 fetch, 타이머기능을 갖고 있는 setTimeout,setInterval 등 여러 API가 있습니다.

예시를 보겠습니다.

console.log("1");

setTimeout(()=>{
  console.log("after 3s!")
},3000)

console.log("2");

setTimeout(()=>{
  console.log("after 5s!")
},5000)

console.log("3");

1. console.log("1") 실행
2. ✨첫번째 setTimeout()의 동작을 브라우저 혹은 nodejs와 같은 런타임으로 위임
3. console.log("2") 실행
4. 두번째 setTimeout()의 동작을 위임
5. console.log("3") 실행
6. 3초후 첫번째 setTimeout()의 Callback함수가 Task Queue에 적재
7. Call Stack이 비었음
8. Event loop가 Task Queue에 쌓인 Task를 call stack에 다시 적재
9. console.log("after 3s!") 실행
10. 5초후 두번째 setTimeout()의 Callback함수가 Task Queue에 적재
11. 반복…

앞전의 Promise와는 조금 다른형태로 동작하고 있습니다.
Web API의 비동기 작업들을 Javascript엔진과 별개의 공간(브라우저 혹은 런타임)에 위임합니다.

그래서 타이머와 같은 병렬로 처리되어야 하는 작업들이 멀티스레드로 동작할 수 있는것입니다.

WebAPI들은 작업이 종료되고 나면 그들의 Callback함수가 Task Queue에 쌓입니다.
그리고 Promise때와 마찬가지로 Event loop가 지켜보고 있다가 CallStack이 비어있으면 Queue에서 작업을 꺼내서 CallStack에 쌓고 실행시킵니다.

한줄정리

• WebAPI의 비동기 함수들은 Javascript 엔진이 아닌 브라우저/런타임에서 multi thread로 동작한다!
• 작업이 완료되면 Callback함수들이 Task Queue에 적재되고 event loop에 의해 실행된다

Microtask Queue vs Task Queue

비슷한 역할을 하는 Queue가 여러개있으니 각 Queue에 대한 우선순위도 존재할 것입니다.

아래 코드를 보겠습니다.

console.log("1");

setTimeout(()=>{
  console.log("2")
},0)

console.log("3");

Promise.resolve()
  .then(() => {
    console.log("4");
  });

Promise.resolve()
  .then(() => {
    console.log("5");
  });
  
console.log("6");

1. console.log("1") 실행
2. setTimeout()의 동작을 브라우저 혹은 nodejs와 같은 런타임으로 위임
3. 하지만 타이머가 0초이므로 바로 Callback함수를 Task Queue에 적재
4. console.log("3") 실행
5. 첫번째 Promise 실행 -> Microtask Queue에 callback 함수 적재
6. 두번째 Promise 실행 -> Microtask Queue에 callback 함수 적재
7. console.log("6") 실행
8. Call Stack이 비었음
9. Event loop가 Microtask Queue에 쌓인 Task를 call stack에 적재
10. Microtask Queue가 전부 비워짐
11. Event loop가 Task Queue에 쌓인 Task를 call stack에 적재

이처럼 우선순위가 제일 높은 Queue는 Microtask Queue입니다.
Microtask Queue가 전부 비워지고 나면 TaskQueue를 비우게 됩니다.

하나 주의해야할 점은 Microtask Queue는 한번 비워질때 Queue에 쌓인 모든 task를 비우지만,
Task Queue는 한번에 Callback함수 하나씩을 실행합니다.
그래서 하나의 작업을 call stack에 올려서 실행하고나서 다른 작업이 들어오면 우선순위가 밀리게 됩니다.

그리고 본문엔 적지 않았지만, 사용자가 스크롤을 이동하거나 화면을 갱신하는 것과 같이 브라우저 렌더링에 관련된 Task들이 담기는 Queue가 따로 있습니다.
이름하야 Animation Frames!
우선순위는 Microtask Queue와 TaskQueue의 중간입니다.

한줄정리

• Event loop 우선순위 : Microtask Queue > Animation Frames > Task Queue
• Event loop는 Microtask Queue나 Animation Frames와 같은 Queue에서는 모든 작업을 한번에 수행하지만, Task Queue에서는 한번에 하나의 작업만 수행

마무리

1. Queue들의 이름이 되게 다양하다… 대체 공식이름은 뭘까 싶을정도로 여러개이다.
2. Microtask Queue == Job Queue
3. Task Queue == Macrotask Queue == Event Queue
4. Javascript의 엔진 자체는 Single Thread지만 특정 API들은 브라우저/런타임을 통해 Multi Thread로 작업이 가능
5. Javascript의 비동기는 병렬처리가 아니다. event loop덕분에 코드를 끊기지 않고 실행할 수 있을 뿐
6. Call Stack에 Task가 쌓여있으면 Queue의 Task들은 대기할 수밖에 없다. 그래서 작업이 많으면 Timer 함수의 정확성이 떨어질 수도 있다! (1초가 1초가 아닐수도 있다는 뜻)

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