모던 자바스크립트 : 브라우저의 렌더링 과정

0. 브라우저의 렌더링 과정

• 웹 애플리케이션의 클라이언트 사이드 자바스크립트는 브라우저에서 HTML, CSS와 함께 실행
  • => 브라우저 환경을 고려할 때 더 효율적인 클라이언트 사이드 자바스크립트 프로그래밍 가능
• 파싱(구문 분석)
  • 파싱(구문 분석) : 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해하고 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리를 생성하는 일련의 과정
  • 일반적으로 파싱이 완료된 이후에는 파스 트리를 기반으로 중간 언어인 바이트코드를 생성하고 실행
• 렌더링
  • 렌더링 : HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것

브라우저의 렌더링 과정

1. 브라우저는 HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받은
2. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML, CSS 파싱하여 DOM, CSSOM 생성하고 결합하여 렌더트리 생성
3. 브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(abstract syntax tree) 생성하고 바이트 코드로 변환해 실행함
   • 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM, CSSOM 변경 가능
   • 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더트리로 결합
4. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기) 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소 페인팅

 

1. 요청과 응답

• 브라우저의 핵심 기능
  • 브라우저의 핵심 기능 : 필요한 리소스(HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 등의 정적 파일 또는 서버가 동적으로 생성한 데이터)를 서버에 요청하고 서버로부터 응답을 받아 브라우저에 시각적으로 렌더링 하는 것
  • 렌더링에 필요한 리소스는 모두 서버에 존재하므로 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버가 응답한 리소스를 파싱하여 렌더링 하는 것
• 서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창 제공
  • 브라우저 주소창에 URL을 입력하고 엔터 키 클릭 시 URL의 호스트 이릅이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고 이 IP 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송함

• 브라우저의 주소창에 https://www.google.com/ 입력하고 엔터 키를 누르면
  • 루트 요청(스킴(/)과 호스트만으로 구성된 URI에 의한 요청)이 구글 서버로 전송
    • 루트 요청에는 명확히 리소스를 요청하는 내용이 없지만 일반적으로 서버는 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html을 응답함
    • https://www.google.com/ === https://www.google.com/index.html
  • 만약 index.html이 아닌 다른 정적 파일을 서버에 요청하려면 브라우저의 주소창에 요청할 정적 파일의 경로와 파일이름을 URI의 호스트 뒤의 패스에 기술하여 서버에 요청
• 자바스크립트를 통해 동적으로 서버에 정적/동적 데이터를 요청 가능
• 요청과 응답은 개발자 도구의 Network 패널에서 확인 가능
  • 브라우저의 렌더링 엔진이 HTML 을 파싱하는 도중에 외부 리소스를 로드하는 태그(link, img, script 등)을 만나면 HTML 파싱을 일시중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청하기 때문

2. HTTP 1.1과 HTTP 2.0

HTTP

• HTTP : 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜
• 1989년 HTML, URL과 함께 팀 버너스 리 경이 고안
• 1991년 최초 문서화 이후 1996년 1.0, 1999년 1.1, 2015년 2 버전 발표

 

HTTP/1.1

• 커넥션 당 하나의 요청과 응답만 처리
• HTML 문서 내에 포함된 여러개의 리소스 요청(link, img, script 등)에 의한 리소스 요청, 응답이 개별적으로 전송
• 리소스의 동시 전송이 불가능한 구조 => 요청할 리소스의 개수에 비례해 응답 시간도 증가

HTTP/2

• HTTP/2 는 커넥션 당 여러개의 요청과 응답 가능
• 여러 리소스의 동시 전송이 가능해 페이지 로드 속도가 50% 정도 빠름

 

3. HTML 파싱과 DOM 생성

• 브라우저 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자여롤 이루어진 순수한 텍스트
• 순수한 텍스트인 HTML 문서를 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환해 메모리에 저장해야됨

 

HTML 문서 파싱해 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM 생성

1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답
   • 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유해 응답
2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답
   • 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식을 기준으로 문자열 변환
   • meta 태그의 charset 어트리뷰트에 선언된 인코딩 방식은 content-type : text/html; charset=utf-8 과 같이 응답 헤더에 담겨 응답
   • 브라우저는 이를 확인하고 문자열로 변환
3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해
4. 각 토큰들을 객체로 변환해 노드 생성
   • 토큰 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드 생성
   • 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소
5. HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 가짐
   • HTML 요소의 콘텐츠 영역(시작 태그와 종료 태그 사이)에는 텍스트뿐만 아니라 다른 HTML 요소도 포함 가능
   • HTML 요소 간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계 형성
   • HTML 요소간의 부자관계를 반영해 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성
   • 이 노드들로 구성된 트리 자료구조 = DOM =HTML 문서를 파싱한 결과물

4. CSS 파싱과 CSSOM 생성

• 렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한줄씩 순차적으로 파싱해 DOM 생성
• 렌더링 엔진은 DOM을 생성해 나가다가 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시중단
  • link 태그의 href 어트리뷰트 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드한 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정(바이트 -> 문자 -> 토근 -> 노드 -> CSSOM)을 거치며 해석하여 CSSOM을 생성
  • CSSOM은 CSS 상속을 반영해 생성
• CSS 파싱이 완료되면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작해 DOM 생성 재개

 

5. 렌더 트리 생성

• 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS 파싱하여 각각 DOM과 CSSOM 생성
• DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합
  
  • 렌더 트리는 렌더링을 위한 트리구조의 자료구조
  • 화면에 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드 (meta, script 태그 등)와 CSS에 의해 비표시(display:none) 되는 노드들은 불포함

• 이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력
  • 레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 비용이 많이 들고 성능에 악영향
• 레이아웃 계산과 페인팅 재차 실행되는 경우
  • 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
  • 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
  • HTML 요소의 레이아웃(위치, 크기)에 변경을 발생시키는 width/height, margin, padding, border, display, position, top/left/right/bottom 등의 스타일 변경

 

6. 자바스크립트 파싱과 실행

• HTML 문서 파싱한 결과물로서 생성된 DOM은 HTML 문서의 구조와 정보뿐만 아니라 HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 잇는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API 제공
  • 자바스크립트 코드에서 DOM API 사용 시 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작 가능

• 렌더링 엔진은 HTML 한줄씩 순차적으로 파싱하며 DOM을 생성해 나가다가 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그나 자바스크립트 코드를 콘텐츠로 담은 script 태그를 만나면 DOM 생성 일시 중단
  • script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청해 로드한 자바스크립트 파일이나 script 태그 내의 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘김
  • 이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML 파싱 시작해 DOM 생성 재개
• 자바스크립트 파싱과 실행은 자바스크립트 엔진이 처리
  • 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱해 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행하는 역할
  • 자바스크립트 엔진은 구글 크롬, Node.js의 V8 등 다양한 종류가 있고 ECMAScrtipt 사양 준수
• 렌더링 엔진으로부터 제어권 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드 파싱 시작
  • 렌더링 엔진이 HTML과 CSS 파싱해 DOM과 CSSOM 생성하듯이 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 해석해 AST(추상적 구문 트리) 생성
  • AST 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트 코드 생성해 실행

토크나이징

• 토크나이징 : 단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석해 문법적 의미를 갖는 코드의 최소단위인 토큰들로 분해하는 과정
• 렉싱이라고도 부르지만 토크나이징과 미묘한 차이 있음

파싱

• 파싱 : 토큰들의 집합을 구문 분석해 AST 생성
• AST는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리구조의 자료구조
• AST는 인터프리터나 컴파일러만이 사용하는 것은 아님
• AST를 사용하면 TypeScript, Babel, Prettier 같은 트랜스파일러 구현 가능
• AST Explorer 웹사이트 방문 시 다양한 오픈소스 자바스크립트 파서 사용해 AST 생성 가능

바이트코드 생성과 실행

• 파싱의 결과물로서 생성된 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트 코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행
• V8 엔진의 경우 자주 사용되는 코드는 터보팬이라 불리는 컴파일러에 의해 최적화된 머신코드로 컴파일되어 성능 최적화
• 만약 코드의 사용 빈도가 적어지면 다시 디옵티마이징 하기도 함

 

7. 리플로우와 리페인트

• 자바스크립트 코드에 DOM, CSSOM 변경하는 DOM API가 사용된 경우 DOM 이나 CSSOM 변경
• 이때 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링 => 리플로우, 리페인트
  • 리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아님
  • 레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행

리플로우

• 리플로우 : 레이아웃 계산을 다시 하는것
• 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경
• 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우

리페인트

• 리페인트 : 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트

 

8. 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

• 브라우저는 동기적으로 HTML, CSS, 자바스크립트를 파싱하고 실행
  • => script 태그의 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹되어 DOM 생성 지연될 수 있음
• 만약 head 태그 안, body 태그 최상단에 script 태그가 있는 경우
  • 자바스크립트 파싱, 실행 이전까지 DOM 생성이 일시 중단되어 원하는 요소가 포함되지 않았을 수 있음
  • 이때 자바스크립트 코드 안에서 DOM, CSSOM 변경하는 DOM API 사용할 경우 DOM, CSSOM이 이미 생성되어있어야함
• 이런 문제 회피하기 위해 body 요소 가장 아래에 자바스크립트 위치 시켜야함
  • DOM 완성되지 않은 상태에서 자바스크립트가 DOM 조작 시 에러 발생 
  • 자바스크립트 로딩/파싱/실행으로 인해 HTML 요소들의 렌더링에 지정받는 일이 발생하지 않아 페이지 로딩 시간 단축

 

9. script 태그의 async/defer 어트리뷰트

• 자바스크립트 파싱에 의한 DOM 생성이 중단되는 문제를 근본적으로 해결하기 위해 HTML5부터 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트 추가
• async와 defer 어트리뷰트는 src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용 가능
  • src 어트리뷰트가 없는 인라인 자바스크립트에는 사용 불가능
• async와 defer 어트리뷰트 사용 시 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행
  • 하지만 async와 defer 는 자바스크립트의 실행 시점에 차이가 있음

 

async 어트리뷰트

• HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행
• 자바스크립트 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며 이때 HTML 파싱 중단
• 여러개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 script 태그의 순서와는 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않음 => 순서 보장 필요한 경우 사용 금지
• IE10 이상에서 지원

 

defer 어트리뷰트

• HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행
• 자바스크립트 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, DOM 생성 완료된 직후 (DOMContentLoaded 이벤트 발생) 진행
• DOM 생성 완료 이후 실행되어야할 자바스크립트에 유용
• IE10 이상에서 지원

 

 

 

 

모던 자바스크립트 딥다이브를 정리한 내용입니다!!