자바스크립트 실행 컨텍스트 정리

호이스팅·스코프·this 바인딩이 따로따로 외워지던 시기에 모던 자바스크립트 Deep Dive 23장을 펼쳤다. 셋이 결국 실행 컨텍스트라는 한 구조 위에서 굴러간다는 걸 따라 짚어가며 정리했다.

어떤 코드를 평가하느냐에 따라 컨텍스트가 달라진다

ECMAScript는 소스코드를 네 가지 타입으로 구분한다. 타입마다 실행 컨텍스트를 만드는 과정과 관리 내용이 다르기 때문이다.

• 전역 코드: 전역에 존재하는 소스코드. 전역에 정의된 함수·클래스 등의 내부 코드는 포함하지 않는다. 전역 코드가 평가되면 전역 실행 컨텍스트가 생성된다.
• 함수 코드: 함수 내부에 존재하는 소스코드. 함수 내부에 중첩된 함수·클래스 등의 내부 코드는 포함하지 않는다. 함수 코드가 평가되면 함수 실행 컨텍스트가 생성된다.
• eval 코드: 빌트인 전역 함수인 eval에 인수로 전달되어 실행되는 소스코드. strict mode에서 독자적인 스코프를 만든다. 평가되면 eval 실행 컨텍스트가 생성된다.
• 모듈 코드: 모듈 내부에 존재하는 소스코드. 모듈별로 독립된 모듈 스코프를 만든다. 평가되면 모듈 실행 컨텍스트가 생성된다.

평가와 실행, 두 단계로 나눠 처리한다

자바스크립트 엔진은 소스코드를 평가와 실행으로 나눠 처리한다.

평가 과정에서는 실행 컨텍스트를 만들고 선언문을 먼저 처리한다. 그렇게 생성된 변수·함수 식별자가 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프(렉시컬 환경의 환경 레코드)에 등록된다.

실행 과정에서는 선언문을 제외한 소스코드가 런타임에 순차적으로 실행된다. 필요한 식별자(변수·함수 참조)는 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에서 검색해 가져오고, 변수 값 변경 같은 결과는 다시 그 스코프에 등록된다.

실행 컨텍스트가 맡고 있는 일

학습 노트에 적힌 순서대로 따라가면 실행 컨텍스트가 무엇을 책임지는지가 그림으로 잡힌다.

전역 코드는 먼저 평가 과정을 거친다. 변수 선언문과 함수 선언문이 먼저 실행되고, 그 결과 생성된 전역 변수와 전역 함수가 전역 스코프에 등록된다. 이때 var 키워드로 선언된 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수는 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 된다.

평가가 끝나면 런타임이 시작되고 전역 코드가 순차적으로 실행된다. 전역 변수에 값이 할당되고 함수가 호출된다. 함수가 호출되면 순차적으로 실행되던 전역 코드의 실행이 일시 중단되고, 코드 실행 순서가 변경되어 함수 내부로 진입한다.

함수 내부에 들어가면 다시 함수 코드 평가 과정을 거친다. 매개변수와 지역 변수 선언문이 먼저 실행되고 지역 스코프에 등록된다. 함수 내부에서 지역 변수처럼 쓸 수 있는 arguments 객체도 이 시점에 만들어져 지역 스코프에 등록되고, this 바인딩도 이때 결정된다.

이어서 함수 코드가 순차적으로 실행되며 매개변수와 지역 변수에 값이 할당된다. 함수 코드 실행이 끝나면 호출 이전으로 돌아가 코드 실행을 계속한다.

이렇게 코드가 실행되려면 스코프·식별자·코드 실행 순서를 관리할 누군가가 필요하다. 그 역할을 하는 게 실행 컨텍스트다. 식별자와 스코프는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경(식별자와 그 값, 상위 스코프 참조를 담는 자료구조)으로 관리하고, 코드 실행 순서는 실행 컨텍스트 스택으로 관리한다.

실행 컨텍스트 스택은 호출의 시간을 쌓는다

자바스크립트 엔진은 먼저 전역 코드를 평가해 전역 실행 컨텍스트를 만들고, 함수가 호출되면 함수 코드를 평가해 함수 실행 컨텍스트를 만든다. 이 두 종류의 컨텍스트가 호출 순서대로 스택에 쌓이고 빠진다.

다음 예제는 책에서 따라간 그대로다. foo가 bar를 호출하면서 컨텍스트가 세 층까지 쌓였다가 역순으로 빠진다.

const x = 1;
 
function foo() {
  const y = 2;
 
  function bar() {
    const z = 3;
    console.log(x + y + z);
  }
  bar();
}
 
foo(); // 6

스택이 시간 순으로 어떻게 변하는지 손으로 따라가면 이렇게 정리된다.

각 단계에서 스택이 실제로 어떻게 채워지는지 노트에 적은 대로 풀어쓰면 다음과 같다.

전역 코드의 평가와 실행

먼저 전역 코드를 평가해 전역 실행 컨텍스트를 만들고 스택에 푸시한다. 전역 변수 x와 전역 함수 foo가 전역 실행 컨텍스트에 등록된다. 이후 전역 코드가 실행되기 시작하면서 전역 변수 x에 값이 할당되고 전역 함수 foo가 호출된다.

foo 함수 코드의 평가와 실행

전역 함수 foo가 호출되면 전역 코드의 실행이 일시 중단되고 코드의 제어권이 foo 내부로 이동한다. foo 내부의 함수 코드를 평가해 foo 함수 실행 컨텍스트를 만들고 스택에 푸시한다. foo의 지역 변수 y와 중첩 함수 bar가 foo 함수 실행 컨텍스트에 등록된다. 이후 foo 함수 코드가 실행되어 지역 변수 y에 값이 할당되고 중첩 함수 bar가 호출된다.

bar 함수 코드의 평가와 실행

중첩 함수 bar가 호출되면 foo의 실행이 일시 중단되고 제어권이 bar 내부로 이동한다. bar 내부의 함수 코드를 평가해 bar 함수 실행 컨텍스트를 만들고 스택에 푸시한다. bar의 지역 변수 z가 bar 함수 실행 컨텍스트에 등록된다. 이후 bar가 실행되어 지역 변수 z에 값이 할당되고 console.log 메서드를 호출한 뒤 bar가 종료된다.

foo 함수 코드로 복귀

bar가 종료되면 제어권이 다시 foo로 이동한다. bar 함수 실행 컨텍스트는 스택에서 팝되어 제거된다. foo는 더 이상 실행할 코드가 없으므로 종료된다.

전역 코드로 복귀

foo가 종료되면 제어권은 다시 전역 코드로 이동한다. foo 함수 실행 컨텍스트는 스택에서 팝되어 제거된다. 더 이상 실행할 전역 코드가 남아 있지 않으므로 전역 실행 컨텍스트도 스택에서 팝되어 제거된다. 스택에는 아무것도 남아 있지 않게 된다.

실행 컨텍스트 스택이 코드의 실행 순서를 관리한다는 말이 이 흐름에서 그대로 보였다. 스택 최상위에 있는 실행 컨텍스트가 언제나 현재 실행 중인 코드의 실행 컨텍스트다. 이미 실행되고 종료된 컨텍스트는 팝되어 제거되기 때문이다. 그래서 스택 최상위 컨텍스트를 "실행 중인 실행 컨텍스트"라고 부른다.

렉시컬 환경은 스코프와 식별자를 담는다

실행 컨텍스트 스택이 시간을 관리한다면, 렉시컬 환경은 공간(스코프)을 관리한다. 식별자와 그 식별자에 바인딩된 값, 그리고 상위 스코프에 대한 참조를 기록하는 자료구조다. 렉시컬 스코프의 실체이기도 하다.

실행 컨텍스트는 LexicalEnvironment 컴포넌트와 VariableEnvironment 컴포넌트로 구성된다. 생성 초기에 두 컴포넌트는 하나의 동일한 렉시컬 환경을 참조한다. 이후 몇 가지 상황에서 VariableEnvironment를 위한 새로운 렉시컬 환경이 만들어지고, 그때부터 두 컴포넌트의 내용이 달라지는 경우도 있다.

렉시컬 환경 자체는 두 부분으로 이뤄진다.

• 환경 레코드: 스코프에 포함된 식별자를 등록하고 등록된 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 저장소. 소스코드 타입에 따라 관리하는 내용에 차이가 있다.
• 외부 렉시컬 환경에 대한 참조: 상위 스코프(해당 실행 컨텍스트를 만든 소스코드를 포함하는 상위 코드의 렉시컬 환경)를 가리킨다. 이 참조가 단방향 링크드 리스트인 스코프 체인을 구현한다.

전역 실행 컨텍스트가 만들어지는 과정

여기서부터가 책에서 가장 촘촘했던 부분이다. 전역 코드 평가가 어떤 순서로 진행되는지 단계별로 따라갔다.

전역 객체 생성

전역 코드가 평가되기 이전에 만들어진다. 전역 객체에는 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체가 추가되며, 동작 환경(클라이언트 또는 서버 사이드)에 따른 호스트 객체도 포함된다.

전역 실행 컨텍스트 생성

비어 있는 전역 실행 컨텍스트를 만들어 스택에 푸시한다. 이 시점에 그게 곧 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다.

전역 렉시컬 환경 생성

전역 렉시컬 환경을 만들어 전역 실행 컨텍스트에 바인딩한다. 렉시컬 환경은 환경 레코드와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조, 두 컴포넌트로 구성된다.

전역 환경 레코드 생성

전역 변수를 관리하는 전역 스코프, 전역 객체의 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체를 제공한다. var 키워드로 선언한 전역 변수와 ES6의 let/const 키워드로 선언한 전역 변수를 구분해 관리하기 위해 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드로 나뉘어 있다.

객체 환경 레코드는 기존의 전역 객체가 관리하던 요소들을 다룬다. 선언적 환경 레코드는 let/const 키워드로 선언한 전역 변수를 다룬다. 둘은 서로 협력해 전역 스코프와 전역 객체(전역 변수의 전역 객체 프로퍼티화)를 관리한다.

객체 환경 레코드 생성

객체 환경 레코드는 BindingObject(객체 환경 레코드가 실제로 식별자를 보관하는 객체. 전역 환경에서는 전역 객체가 그 역할)라고 부르는 객체와 연결된다. 즉 전역 객체 생성 단계에서 만들어진 전역 객체가 BindingObject로 쓰인다.

전역 코드 평가 과정에서 var 키워드로 선언한 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수는 객체 환경 레코드에 연결된 BindingObject를 통해 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 된다. 등록된 식별자를 전역 환경 레코드의 객체 환경 레코드에서 찾으면 전역 객체의 프로퍼티를 검색해 돌려준다.

이 단계에서 var 키워드로 선언한 전역 변수는 BindingObject를 통해 전역 객체의 프로퍼티가 되고 undefined로 초기화된다. 이게 변수 호이스팅이 발생하는 원리다. 함수 선언문으로 정의한 함수가 평가되면 BindingObject를 통해 전역 객체에 키로 등록되고 생성된 함수 객체가 즉시 할당된다. 이게 함수 호이스팅이 발생하는 원리다.

선언적 환경 레코드 생성

let/const 키워드로 선언한 전역 변수는 선언적 환경 레코드에 등록되고 관리된다. "선언 단계"와 "초기화 단계"가 분리되어 진행되기 때문에 일시적 사각지대(Temporal Dead Zone, TDZ)에 빠지게 된다. let/const로 선언한 변수는 런타임에 컨트롤이 변수 선언문에 도달하기 전까지 일시적 사각지대에 있어 참조할 수 없다.

this 바인딩

전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩된다. 전역 코드에서 this를 참조하면 이 슬롯에 바인딩된 객체가 돌아온다. 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드에는 this 바인딩이 없다. this 바인딩은 전역 환경 레코드와 함수 환경 레코드에만 존재한다.

외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

현재 평가 중인 소스코드를 포함하는 외부 소스코드의 렉시컬 환경, 즉 상위 스코프를 가리킨다. 이 참조에 null이 할당되어 있다면 스코프 체인의 종점에 도달했음을 뜻한다.

전역 코드 실행에서의 식별자 검색

전역 코드가 순차적으로 실행되기 시작하면 변수 할당문이 실행되고 함수 호출이 일어난다. 식별자 결정을 위해 식별자를 검색할 때는 실행 중인 실행 컨텍스트에서 검색을 시작한다. 선언된 식별자는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 환경 레코드에 등록되어 있다. 이게 스코프 체인의 동작 원리다.

함수 실행 컨텍스트가 만들어지는 과정

전역 평가를 마친 뒤 전역 코드를 실행하다가 함수가 호출되면, 전역 코드의 실행이 일시 중단되고 해당 함수 내부로 제어권이 이동한다. 그 뒤 함수 코드를 평가하기 시작한다.

함수 실행 컨텍스트 생성

함수 실행 컨텍스트를 만든다. 함수 렉시컬 환경이 완성된 다음에 스택에 푸시된다. 이때 해당 함수의 실행 컨텍스트가 스택 최상위가 되어 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다.

함수 렉시컬 환경 생성

함수 렉시컬 환경을 만들고 해당 함수 실행 컨텍스트에 바인딩한다.

함수 환경 레코드 생성

함수 환경 레코드는 매개변수, arguments 객체, 함수 내부에서 선언한 지역 변수와 중첩 함수를 등록하고 관리한다.

this 바인딩

함수 환경 레코드의 [[ThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩된다. this 객체는 함수 호출 방식에 따라 결정된다. 예를 들어 해당 함수가 일반 함수로 호출되었다면 [[ThisValue]]에 전역 객체가 바인딩된다.

외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

해당 함수 정의가 평가된 시점에 실행 중인 실행 컨텍스트(바로 이전 실행 컨텍스트)의 렉시컬 환경에 대한 참조가 할당된다. 자바스크립트 엔진은 함수 정의를 평가해 함수 객체를 만들 때, 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장한다. 이 [[Environment]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조가 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 할당된다.

이게 함수가 어디서 호출되었는지가 아니라 어디서 정의되었는지에 따라 상위 스코프를 결정하는 "렉시컬 스코프"의 작동 방식이다. 호이스팅·스코프 체인·클로저가 같은 슬롯 위에서 굴러간다는 게 이 한 줄에서 보였다.

함수 코드 실행과 식별자 검색

함수의 소스코드가 순차적으로 실행되기 시작한다. 매개변수에 인수가 할당되고, 변수 할당문이 실행되어 지역 변수에 값이 할당된다. 함수 호출문이 있으면 호출된다.

식별자 결정을 위해 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자를 검색하기 시작한다. 해당 함수의 렉시컬 환경에서 식별자를 찾을 수 없으면 외부 렉시컬 환경에 대한 참조가 가리키는 렉시컬 환경으로 이동해 검색한다. 중첩 함수에도 같은 방식이 그대로 적용된다.

컨텍스트가 사라져도 렉시컬 환경이 남는 경우

더 실행할 코드가 없으면 함수 코드의 실행이 끝난다. 이때 해당 함수 실행 컨텍스트가 스택에서 팝되어 제거되고, 이전 실행 컨텍스트가 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다.

실행 컨텍스트가 스택에서 제거되었다고 해서 렉시컬 환경까지 즉시 사라지는 건 아니다. 렉시컬 환경은 독립적인 객체다. 객체를 포함한 모든 값은 누군가에 의해 참조되지 않을 때 가비지 컬렉터가 메모리 공간을 회수해 소멸시킨다. 함수 실행 컨텍스트가 소멸되었더라도 렉시컬 환경을 누군가 참조하고 있다면 해당 함수의 렉시컬 환경은 사라지지 않는다. 클로저가 동작하는 원리가 여기에 걸려 있었다.

함수가 종료된 후 더 실행할 전역 코드가 없으면 전역 코드의 실행도 끝난다. 전역 실행 컨텍스트도 스택에서 팝되어 제거되고, 스택에는 아무것도 남지 않게 된다.

블록 스코프는 렉시컬 환경을 새로 끼워 넣는다

let/const 키워드로 변수가 선언된 코드 블록이 실행되면 선언적 환경 레코드를 갖는 렉시컬 환경이 새로 생성된다. 기존의 전역 렉시컬 환경을 교체하는 식이다. 이때 해당 코드 블록 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 이전의 렉시컬 환경을 가리킨다. 이 동작은 모든 블록문에 적용된다.

for 문의 변수 선언문에 let 키워드가 사용되었다면, for 문이 반복 실행될 때마다 코드 블록이 새로 생기므로 매번 새로운 렉시컬 환경이 생성된다. for 문 내부에서 정의된 함수의 상위 스코프는 그 for 문의 코드 블록이 만든 렉시컬 환경이다. let으로 돌린 반복문에서 클로저가 매 회차마다 다른 값을 잡는 이유가 여기 있었다.

호이스팅·스코프 체인·this 바인딩·클로저는 따로 외워야 할 규칙이 아니라, 실행 컨텍스트와 렉시컬 환경이라는 같은 자료구조 위에서 벌어지는 다른 단면이었다. 손으로 단계를 짚어가며 따라가니 그동안 흩어져 있던 개념들이 한 줄로 꿰였다.