[모던 자바스크립트 Deep Dive]38장 브라우저의 렌더링 과정

서론

• Node.js: 구글의 V8 자바스크립트 엔진으로 빌드된 자바스크립트 런타임 환경
  • 이로 인해 자바스크립트를 이용해 서버 사이트 애플리케이션 개발도 가능해짐
• 브라우저의 렌더링 과정
  1. 브라우저는 HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답 받는다.
  2. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.
  3. 브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행한다.
     1. 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있으며 변경된 DOM이나 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
  4. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.

38.1 요청과 응답

• 브라우저의 핵심 기능: 필요한 리소스를 서버에 요청하고 응답받아 브라우저에 시각적으로 렌더링
  • 필요한 리소스: HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 등의 정적 파일 또는 서버가 동적으로 생성한 데이터

브라우저의 주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누른다면

• 브라우저의 주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고 이 IP 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.
  • URI(Uniform Resource Identifier): 인터넷에 있는 자원을 나타내는 유일한 주소로, URI와 URN으로 구성되어 있다.
    • URL(Uniform Resource Locator): 네트워크 상에서 자원이 어디 있는지를 알려주기 위한 규약
    • URN(Uniform Resource Name): 독립적인 자원을 위한 지시자
  • 호스트 이름: 네트워크에 연결된 장치((컴퓨터, 파일 서버, 복사기, 케이블 모뎀 등)들에게 부여되는, IP 주소같은 기계적 이름 대신 쓰이는 고유한 이름
    • 도메인 이름: 넓은 의미로는 네트워크상에서 컴퓨터를 식별하는 호스트명을 가리키며, 좁은 의미에서는 도메인 레지스트리에게서 등록된 이름을 의미
    • 주로 hostname.domain.com의 형태로 사용
  • DNS(Domain Name System): 호스트의 도메인 이름을 호스트의 네트워크 주소로 바꾸거나 그 반대의 변환을 수행

좀 더 구체적으로

1. 브라우저의 주소창에 https://domain.com을 입력하고 엔터 키를 누른다.
   1. https: scheme(protocol). 통신 방식(프로토콜)을 결정한다.
   2. domain.com: host(domain)
2. 루트 요청(/, scheme, host만으로 구성된 URI에 의한 요청)이 domain.com 서버로 전송된다.
   1. 일반적으로 서버틑 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html을 응답한다.
   2. 따라서 https://domain.com 요청은 https://domain.com/index.html과 같은 요청이다.
3. 서버는 루트 요청에 대해 서버의 루트 폴더에 존재하는 정적 파일 index.html을 클라이언트(브라우저)로 응답한다.
   1. 다른 정적 파일을 서버에 요청하기 위해선 브라우저 주소창에 요청할 정적 파일의 경로와 파일이름을 URI 호스트 뒤의 path에 기술하여 서버에 요청한다.
      1. 이때 정적 파일의 경로는 서버의 루트 폴더가 기준이다.
      2. path https://domain.com/assets/data/data.json과 같이 작성하면 된다.
4. 이때 index.html 뿐만 아니라 요청하지 않은 CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일도 함께 응답된다.
   1. 이는 브라우저의 렌더링 엔진이 HTML(index.html)을 파싱하는 도중 외부 리소스를 로드하는 태그를 만나면 HTML의 파싱을 일시 중단하고 해당 리소스 파일을 서버에 요청하기 때문
      1. 외부 리소스를 로드하는 태그에는 CSS 파일을 로드하는 link 태그, 이미지 파일을 로드하는 img 태그, 자바스크립트를 로드하는 script 태그 등이 있다.

38.2 HTTP 1.1과 HTTP 2.0

• HTTP(HyperText Transfer Protocol): 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜(규약)

HTTP/1.1

• 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리
  • 여러 개의 요청/응답을 한 번에 전송할 수 없음
• 리소스의 동시 전송이 불가능하므로 요청할 리소스 개수에 비례해 응답 시간 증가

HTTP/2.0

• 커넥션당 여러 개의 요청과 응답 가능
• HTTP/1.1보다 약 50% 더 빠르다.

38.3 HTML 파싱과 DOM 생성

• 순수한 텍스트인 HTML 문서를 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환해 메모리에 저장해야 한다.
• 브라우저 렌더링 엔진은 응답받은 HTML 문서를 파싱해 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조, 즉 DOM(Document Object Model)을 생성한다.
  • DOM == HTML 문서를 파싱한 결과물

DOM 생성 과정

1. 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장하고, 메모리에 저장된 바이트를 인터넷을 경유하여 응답한다.
2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트 형태로 응답받는다. 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식 기준의 문자열로 변환된다.
   1. 인코딩 방식에는 UTF-8 등이 존재한다.
   2. 인코딩 방식은 응답 헤더에 Content-Type: text/html; charset=utf-8와 같이 담겨온다.
3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 토큰들로 분해한다.
   1. 토큰: 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위
4. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드를 생성한다.
   1. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드 생성
   2. 노드는 DOM을 구성하는 기본 요소
5. HTML 요소는 중첩 관계를 가지며 이로 인해 부자 관계가 형성된다. 이 관계를 반영해 노드를 트리 자료구조로 구성하고, 이 트리 자료 구조를 DOM이라 한다.

38.4 CSS 파싱과 CSSOM 생성

• 렌더링 엔진은 DOM을 생성하다 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중지
• CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정을 거쳐 해석하고 CSSOM(CSS Object Model) 생성
  • 이때 CSS는 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드한 파일 또는 style 태그 내의 CSS가 해당된다.
  • 파싱 과정: 바이트 → 문자 → 토큰 → 노드 → CSSOM
• CSS 파싱을 완료하면 일시 중단 지점부터 다시 HTML 파싱과 DOM 생성 재개
• 이때 CSSOM은 CSS의 상속을 반영하여 생성된다.

38.5 렌더 트리 생성

• DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.
  • 렌더 트리: 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조. 따라서 렌더링되지 않는 노드는 포함하지 않는다.
    • 렌더링 되지 않는 노드에는 meta 태그, script 태그, CSS에 의해 비표시(display: none)되는 노드 등이 있다.
• 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)를 계산하는데 사용되고 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.
  • 렌더 트리 ⇒ 레이아웃 ⇒ 페인트
• 리렌더링: 레이아웃 계산과 페인팅을 재실행
  • 성능에 악영향
  • 다음 경우에 리렌더링이 된다.
    • 자바스크립트에 위한 노드 추가 또는 삭제
    • 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
    • HTML 요소의 레이아웃을 변경시키는 스타일 변경(width/height, margin, padding, position, display 등)

38.6 자바스크립트 파싱과 실행

• DOM은 HTML 문서의 구조와 정보, 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API 제공

배경 과정

1. 렌더링 엔진은 DOM을 생성하다 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그나 자바스크립트 코드를 콘텐츠로 담은 script 태그를 만나면 DOM 생성 일시 중지
2. script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청
3. 로드된 파일이나 script 태그 내의 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권 넘김
   • 자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리
4. 자바스크립트 파싱과 실행 종료 후 렌더링 엔진에 다시 제어권 넘기고 DOM 생성 재개

자바스크립트 엔진

• 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱해 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행
• 모든 자바스크립트 엔진은 ECMAScript 사양 준수
• 자바스크립트를 해석하여 AST(Abstract Syntax Tree, 추상적 구문 트리) 생성
• 자바스크립트 엔진 예시: 구글 크롬, Node.js V8, 파이어폭스 SpiderMonkey, 사파리 JavaScriptCore

자바스크립트 파싱과 실행 과정

1. 자바스크립트 소스코드를 토크나이저(tokenizer)가 토크나이징(tokenizing)하여 토큰 생성(어휘 분석, Lexical Analysis)
   1. 토크나이징: 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석해 토큰으로 분해
      1. 자바스크립트 소스코드: 단순 문자열
      2. 토큰: 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위
2. 토큰을 파서(parser)가 파싱하여 AST 생성(구분 분석, Syntax Analysis)
   1. 파싱: 토큰들의 집합을 구문 분석해 AST 생성
      1. AST: 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조
         1. 이를 이용해 TypeScript, Babel, Prettier과 같은 트랜스파일러(transpiler) 구현 가능
3. AST에서 바이트코드 생성기(bytecode generator)가 바이트 코드 생성(구분 분석, Syntax Analysis)
   • AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드, 즉 바이트코드를 생성
4. 바이트코드를 인터프리터가 실행

38.7 리플로우와 리페인트

• DOM API가 DOM이나 CSSOM을 변경하면 변경된 DOM 또는 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 리플로우, 리페인트 과정을 거쳐 다시 렌더링됨
• 리플로우: 다시 레이아웃 계산
  • 레이아웃에 영향이 없으면 진행되지 않음
• 리페인트: 재결합된 렌더 크리를 기반으로 다시 페인트

38.8 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

• 렌더링 엔진과 자바스크립트 엔진은 직렬적 파싱을 수행한다 = 브라우저는 동기적(synchronous)으로, 위에서 아래 방향으로 HTML, CSS, 자바스크립트를 파싱하고 실행한다
  • 따라서 script 태그 위치가 중요하다

script 태그 위치

• 만약 script 태그에서 DOM API를 사용해 아직 생성되지 않은 DOM이나 CSSOM에 접근하려 한다면 에러가 발생한다.
• 따라서 body 요소의 가장 아래에 자바스크립트를 위치하는 것이 좋다.
  • 이는 HTML 요소 렌더링이 자바스크립트 로딩/파싱/실행을 기다리지 않아도 되어 페이지 로딩 시간도 단축한다.

38.9 script 태그의 async/defer 어트리뷰트

• 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단 문제 해결을 위해 HTML5부터 추가된 속성
• scr 어트리뷰트로 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용 가능
  • <script async src="extern.js"></script>

async 어트리뷰트

• HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일 로드가 비동기적으로 동시 진행
• 자바스크립트 파일 로드가 완료되면 파싱과 실행이 진행되고 이때 HTML 파싱 중단
• async 어트리뷰트가 여러개 지정되었다면 script 태그 순서와 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 실행, 즉 순서가 보장되지 않는다.

defer 어트리뷰트

• HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일 로드가 비동기적으로 동시 진행
• 자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후 진행
  • HTML 파싱이 완료되어 DOM 생성이 완료되면 DOMContentLoaded 이벤트가 발생