실행 컨텍스트 (Execution Context) - (1/2) 니가 JS 동작 원리의 핵심?

안녕하세요. 동쪽별입니다.

이번 글은 자바스크립트의 동작 원리를 담고 있느 핵심 개념인 실행 컨텍스트에 대해 알아보겠습니다.

실행 컨텍스트를 바르게 이해하면 자바스크립트가 스코프를 기반으로 식별자 바인딩을 관리하는 방식과 호이스팅이 발생하는 이유, 클로저의 동작 방식, 그리고 태스트 큐와 함께 동작하는 이벤트 핸들러와 비동기 처리의 동작 방식을 이해할 수 있습니다!

이 정도면.. 자바스크립트의 핵심 개념들을 이해하기 위한 무조건 알아야 할 개념이 되겠죠!

이번 글을 살펴보기 전에 자바스크립트의 스코프에 대해 꼭! 알고 계셔야 합니다. 제 블로그에도 있어요 😆

 

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목차

1. 실행 컨텍스트?

2. 소스코드의 평가와 실행

3. 실행 컨텍스트의 역할

4. 실행 컨텍스트 스택

5. 렉시컬 환경

 

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실행 컨텍스트?

자바스크립트 엔진은 코드를 실행하기 위해서 실행에 필요한 여러가지 정보들을 알고 있어야 합니다.

예를 들면 변수(전역 변수, 매개 변수 등)와 변수의 스코프, this와 같은 정보들이 필요하죠.

 

어떤 실행 컨텍스트가 활성화될 때, 자바스크립트 엔진은 해당 컨텍스트의 코드를 실행하는데 필요한 환경 정보들을 수집해서 실행 컨텍스트에 저장합니다.

다시 말해, 실행 컨텍스트란 코드가 실행되기 위해 필요한 정보들을 가진 환경을 추상화하기 위해 객체 형태로 나타낸 것을 말합니다.

그럼 차근차근 하나씩 알아봅시다!

 

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소스코드의 평가와 실행

ECMAScript 사양은 소스코드(ECMAScript code)를 4가지 타입으로 구분합니다.

그리고 4가지 타입의 소스코드는 실행 컨텍스트를 생성합니다.

이렇게 소스코드를 4가지 타입으로 구분하는 이유는 소스코드의 타입에 따라 실행 컨텍스트를 생성하는 과정과 관리 내용이 다르기 때문입니다.

 

1. 전역 코드(globla code)

• 전역에 존재하는 소스코드를 말합니다. (전역에 정의된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함 ❌)
• 전역 코드는 전역 변수를 관리하기 위해 최상위 스코프인 전역 스코프를 생성해야 합니다.
• 그리고 var 키워드로 선언된 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수를 전역 객체의 프로퍼티와 메서드로 바인딩하고 참조하기 위해 전역 객체와 연결되어야 합니다.
• 이를 위해 전역 코드가 평가되면 전역 실행 컨텍스트가 생성됩니다.

 

2. 함수 코드(function code)

• 함수 내부에 존재하는 소스코드를 말합니다. (함수 내부에 중첩된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함 ❌)
• 함수 코드는 지역 스코프를 생성하고 지역 변수, 매개 변수, arguments 객체를 관리해야 합니다.
• 그리고 생성한 지역 스코프를 전역 스코프에서 시작하는 스코프 체인의 일원으로 연결해야 합니다.
• 이를 위해 함수 코드가 평가되면 함수 실행 컨텍스트가 생성됩니다.

 

3. eval 코드(eval code)

• 빌트인 전역 함수인 eval 함수에 인수로 전달되어 실행되는 소스코드를 말합니다.
• eval 코드는 strict mode에서 자신만의 독자적인 스코프를 생성합니다.
• 이를 위해 eval 코드가 평가되면 eval 실행 컨텍스트가 생성됩니다.

 

4. 모듈 코드(module code)

• 모듈 내부에 존재하는 소스코드를 말합니다. (모듈 내부의 함수, 클래스 등의 내부 코드 포함 ❌)
• 모듈 코드는 모듈 별로 독립적인 모듈 스코프를 생성합니다. 이를 위해 모듈 코드가 평가되면 모듈 실행 컨텍스트가 생성됩니다.

 

eval()은 문자로 표현된 자바스크립트 코드를 실행하는 함수입니다. 하지만, 문자열로부터 eval()을 실행하는 것은 엄청나게 위험합니다. eval()을 사용하면 해커가 위험한 코드를 사용할 수 있습니다.

 

 

모든 소스코드는 실행에 앞서 평가 과정을 거치며 코드를 실행하기 위한 준비를 합니다.

다시 말해, 자바스크립트 엔진은 소스코드를 2개의 과정, 즉 '소스코드의 평가'와 '소스코드의 실행' 과정으로 나누어 처리합니다.

 

소스코드 평가 과정에서는 실행 컨텍스트를 생성하고 변수, 함수 등의 선언문만 먼저 실행하여 생성된 변수나 함수 식별자를 키로, 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록합니다.

 

소스코드 평가 과정이 끝나면 비로소 선언문을 제외한 소스코드가 순차적으로 실행되기 시작합니다.

즉, 런타임이 시작되는 것이죠.

이때 소스코드 실행에 필요한 정보, 즉 변수나 함수의 참조를 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에서 검색해서 취득합니다.

그리고 변수 값의 변경 등 소스코드의 실행 결과는 다시 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록됩니다.

 

 

이번엔  코드 예시를 들어 설명해보겠습니다.

 

var x;
x = 1;

 

위 예제를 2개의 과정으로 나누어 처리하겠죠?

1. 먼저, 소스코드 평과 과정에서 변수 선언문 var x; 를 먼저 실행합니다.
   • 이때 생성된 변수 식별자 x는 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록되고 undefined로 초기화됩니다.
2. 소스코드 평가 과정이 끝나면 소스코드 실행 과정이 시작되고, 변수 할당문 x = 1; 만 실행이 됩니다.
   • 이때 x 변수에 값을 할당하려면 먼저 x 변수가 선언된 변수인지 확인해야 합니다.
   • 이를 위해 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 x 변수가 등록되어 있는지 확인합니다.
   • 등록되어 있다면 x 변수는 선언된 변수이며, 이에 값을 할당하고 할당 결과를 실행 컨텍스트에 등록하여 관리합니다.

 

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실행 컨텍스트의 역할

다음 예제는 전역 코드와 함수 코드로 구성되어 있습니다.

자바스크립트 엔진이 이 예제를 어떻게 평가하고 실행할지 살펴봅시다!

 

// 전역 변수 선언
const x = 1;
const y = 2;

// 함수 정의
function foo(a) {
  // 지역 변수 선언
  const x = 10;
  const y = 20;
  
  // 메서드 호출
  console.log(a + x + y); // 130
}

// 함수 호출
foo(100);

// 메서드 호출
console.log(x + y); // 3

 

1. 전역 코드 평가

• 전역 코드를 실행하기에 앞서 먼저 전역 코드 평가 과정을 거치며 전역 코드를 실행하기 위한 준비를 합니다.
• 소스코드 평가 과정에서는 선언문만 먼저 실행됩니다.
  • 따라서 전역 코드의 변수 선언문과 함께 함수 선언문이 먼저 실행되고, 그 결과 생성된 전역 변수와 전역 함수가 실행 컨텍스트가 관리하는 전역 스코프에 등록됩니다.
• 이때 var 키워드로 선언된 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수는 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 됩니다.

 

2. 전역 코드 실행

• 전역 코드 평가 과정이 끝나면 런타임이 시작되어 전역 코드가 순차적으로 실행되기 시작합니다.
• 이때 전역 변수에 값이 할당되고 함수가 호출됩니다. 
• 함수가 호출되면 순차적으로 실행되던 전역 코드의 실행을 일시 중단하고 코드 실행 순서를 변경하여 함수 내부로 진입합니다.

 

3. 함수 코드 평가

• 함수 호출에 의해 함수 코드 평가 과정을 거치며 함수 코드를 실행하기 위한 준비를 합니다.
• 이때 매개 변수와 지역 변수 선언문이 먼저 실행되고, 그 결과 생성된 매개 변수와 지역 변수가 실행 컨텍스트가 관리하는 지역 스코프에 등록됩니다.
• 또한 함수 내부에서 지역 변수처럼 사용할 수 있는 arguments 객체가 생성되어 지역 스코프에 등록되고 this 바인딩도 결정됩니다.

 

4. 함수 코드 실행

• 함수 코드 평가 과정이 끝나면 또 뭐다? 런타임이 시작되어 함수 코드가 순차적으로 실행되기 시작합니다.
• 이때 매개 변수와 지역 변수에 값이 할당되고 console.log 메서드가 호출됩니다.
• console.log 메서드를 호출하기 위해 먼저 식별자인 console을 스코프 체인을 통해 검색합니다. 
  • 이를 위해 함수 코드의 지역 스코프는 상위 스코프인 전역 스코프와 연결되어야 합니다.
  • 하지만 console 식별자는 스코프 체인에 등록되어 있지 않고 전역 객체에 프로퍼티로 존재합니다.
  • 이는 전역 객체의 프로퍼티가 마치 전역 변수처럼 전역 스코프를 통해 검색 가능해야 한다는 것을 의미합니다!
• 다음은 log 프로퍼티를 console 객체의 프로토타입 체인을 통해 검색합니다.
• 그 후 console.log 메서드에 인수로 전달된 a + x + y가 평가됩니다. a, x, y 식별자는 스코프 체인을 통해 검색하겠죠!
• console.log 메서드의 실행이 종료되면 함수 코드 실행 과정이 종료되고 함수 호출 이전으로 되돌아가 전역 코드 실행을 계속합니다.

 

이처럼 코드가 실행되려면 스코프를 구분하여 식별자와 바인딩된 값이 관리되어야 합니다.

그리고 중첩 관계에 의해 스코프 체인을 형성하여 식별자를 검색할 수 있어야 하고, 전역 객체의 프로퍼티도 전역 변수처럼 검색할 수 있어야 합니다.

 

또한, 함수 호출이 종료되면 함수 호출 이전으로 되돌아가기 위해 현재 실행 중인 코드와 이전에 실행하던 코드를 구분하여 관리해야 합니다.

이처럼 코드가 실행되려면 다음과 같이 스코프, 식별자, 코드 실행 순서 등의 관리가 필요합니다!

 

1. 선언에 의해 생성된 모든 식별자(변수, 함수, 클래스 등)를 스코프를 구분하여 등록하고 상태 변화(식별자에 바인딩된 값의 변화)를 지속적으로 관리할 수 있어야 합니다.
2. 스코프는 중첩 관계에 의해 스코프 체인을 형성해야 합니다.
   • 스코프 체인을 통해 상위 스코프로 이동하며 식별자를 검색할 수 있어야 합니다.
3. 현재 실행 중인 코드의 실행 순서를 변경(ex. 함수 호출에 의한 실행 순서 변경)할 수 있어야 하며, 다시 되돌아갈 수도 있어야 합니다.

 

이 모든 것을 관리하는 것이 바로! 실행 컨텍스트입니다.

이처럼 실행 컨텍스트는 소스 코드를 실행하는 데 필요한 환경을 제공하고 코드의 실행 결과를 실제로 관리하는 영역입니다.

 

좀 더 구체적으로 말해, 실행 컨텍스트는 식별자(변수, 함수, 클래스 등의 이름)를 등록하고 관리하는 스코프와 코드 실행 순서 관리를 구현한 내부 메커니즘으로, 모든 코드는 실행 컨텍스트를 통해 실행되고 관리됩니다.

 

식별자와 스코프는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경으로 관리하고, 코드 실행 순서는 실행 컨텍스트 스택으로 관리합니다. 그럼 실행 컨텍스트 스택부터 알아봅시다.

 

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실행 컨텍스트 스택

const x = 1;

function foo() {
  const y = 2;
  
  function bar() {
  	const z = 3;
    console.log(x + y + z);
  }
  
  bar();
}

foo(); // 6

 

위 예제는 소스코드의 타입으로 분류하면, 전역 코드와 함수 코드로 이루어져 있죠?

자바스크립트 엔진은 먼저 전역 코드를 평가하고 전역 실행 컨텍스트를 생성하는 것, 이후 함수가 호출되면 함수 코드를 평가하여 함수 실행 컨텍스트를 생성하는 것까지 설명했었습니다.

 

이때 생성된 실행 컨텍스트는 스택(stack) 자료구조로 관리됩니다.

이를 실행 컨텍스트 스택이라고 부릅니다.

(스택에 대해서는 다 아실 것이라 믿고.. 따로 설명하지는 않겠습니다)

 

위 코드를 실행하면 코드가 실행되는 시간의 흐름에 따라 실행 컨텍스트 스택에는 아래와 같이 실행 컨텍스트가 추가(push)되고 제거(pop)됩니다.

 

 

\이처럼 실행 컨텍스트 스택은 코드의 실행 순서를 관리합니다.

소스코드가 평가되면 실행 컨텍스트가 생성되고, 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 쌓입니다.

실행 컨텍스트 스택의 취상위에 존재하는 실행 컨텍스트는 언제나 현재 실행 중인 코드의 실행 컨텍스트겠죠?

따라서 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 존재하는 실행 컨텍스트를 실행 중인 실행 컨텍스트(running execution context)라 부릅니다.

 

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렉시컬 환경

렉시컬 환경(Lexical Environment)은 식별자와 식별자에 바인딩된 값, 그리고 상위 스코프에 대한 참조를 기록하는 자료구조로, 실행 컨텍스트를 구성하는 컴포넌트입니다.

실행 컨텍스트 스택이 코드의 실행 순서를 관리한다면, 렉시컬 환경은 스코프와 식별자를 관리합니다.

 

 

렉시컬 환경은 키와 값을 갖는 객체 형태의 스코프를 생성하여 식별자를 키로 등록하고 식별자에 바인딩된 값을 관리합니다.

즉, 렉시컬 환경은 스코프를 구분하여 식별자를 등록하고 관리하는 저장소 역할을 하는 렉시컬 스코프의 실체! 입니다.

 

 

실행 컨텍스트는 LexicalEnviconment 컴포넌트와 VariableEnvironment 컴포넌트로 구성됩니다.

• LexicalEnvironment
  • 처음에는 VariableEnvironment와 같습니다.
  • 변경 사항이 실시간으로 반영됩니다.

• VariableEnvironment
  • 현재 컨텍스트 내의 식별자(변수)들에 대한 정보를 가집니다.
  • 외부 환경 정보를 가집니다.
  • 선언 시점의 LexicalEnvironment의 스냅샷을 유지합니다. (변경사항 반영 ❌)

 

실행 컨텍스트를 생성할 때 VariableEnvironment에 정보를 먼저 담은 다음, 이를 복사해서 LexicalEnvironment를 만듭니다.

주로 활용하는 것은 LexicalEnvironment입니다.

즉, VariableEnviroment는 스냅샷 유지를 목적으로 사용합니다.

 

생성 초기의 실행 컨텍스트와 렉시컬 환경을 그림으로 표현하면 아래와 같습니다.

 

 

생성 초기에 LexicalEnviconment 컴포넌트와 VariableEnvironment 컴포넌트는 하나의 동일한 렉시컬 환경을 참조합니다.

이후 몇 가지 상황을 만나면 VariableEnvironment 컴포넌트를 위한 새로운 렉시컬 환경을 생성하고, 이때부터 VariableEnvironment 컴포넌트와 LexicalEnviconment 컴포넌트는 내용이 달라지는 경우도 있습니다.

 

렉시컬 환경은 다음과 같이 두 개의 컴포넌트로 구성됩니다.

 

 

1. 환경 레코드(Evironment Record)

• 스코프에 포함된 식별자를 등록하고 등록된 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 저장소입니다. 
• 환경 레코드는 소스코드 타입에 따라 관리하는 내용에 차이가 있습니다.

 

2. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조(Outer Lexical Environment Reference)

• 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 상위 스코프를 가리킵니다.
• 이때 상위 스코프란 외부 렉시컬 환경, 즉 해당 실행 컨텍스트를 생성한 소스코드를 포함하는 상위 코드의 렉시컬 환경을 말합니다.
• 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 단방향 연결 리스트(Single Linked List)인 스코프 체인을 구현합니다.

 

 

 

 

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이번 글은 이만.. 여기서 마무리하겠습니다!

실행 컨텍스트, 당연히 끝이 아닙니다.

추가적인 내용을 전부 다루기에 이번 글이 너무 길어질 것 같아 두 파트로 나누어 포스팅하려 합니다.

따라서, 다음 글에서 다루는 실행 컨텍스트를 이해하기 위해 이번 내용은 꼭! 학습하셔야 합니다.

그럼 더 깊은 내용을 담은 글로 돌아오겠습니다 ✌️

 

 

※ 참조

 📖 모던 자바스크립트 Deep Dive (이웅모 지음)

자바스크립트 실행 컨텍스트 | 개발자 황준일