모던 JS deep dive 2회차 챕터 38 브라우저의 렌더링 과정

02 Mar 2024

모던 JS deep dive 2회차

• 모던 JS deep dive 2회차
  • 38. 브라우저의 렌더링 과정
    • 38.1 요청과 응답
    • 38.2 HTTP 1.1과 HTTP 2.0
    • 38.3 HTML 파싱과 DOM 생성
    • 38.4 CSS 파싱과 CSSOM 생성
    • 38.5 렌더 트리 생성
    • 38.6 자바스크립트 파싱과 실행
    • 38.7 리플로우와 리페인트
    • 38.8 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단
    • 38.9 script 태그의 async/defer 어트리뷰트

38. 브라우저의 렌더링 과정

Node.js : 구글의 V8 자바스크립트 엔진으로 빌드된 자바스크립트 런타임 환경. 웹 브라우저를 벗어나 서버 사이드 애플리케이션 개발에서도 사용 가능.

자바스크립트가 가장 많이 사용되는 분야는 웹 브라우저 환경에서 동작하는 웹페이지/애플리케이션의 클라이언트 사이드. 브라우저에서 HTML, CSS와 함께 실행. 브라우저 환경을 고려할 때 더 효율적인 클라이언트 사이드 프로그래밍 가능.

파싱 Parsing(구문 분석 syntax analysis) : 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해(어휘 분석 lexical analysis)하고, 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리(parse tree/syntax tree)를 생성하는 일련의 과정. 일반적으로 파싱이 완료된 이후에는 파스 트리를 기반으로 중간 언어인 바이트코드(bytecode)를 생성하고 실행.

렌더링 rendering : HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것.

1. 브라우저의 렌더링 과정
2. 브라우저는 HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답 받음.
3. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리 생성.
4. 브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행. 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경 가능. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합.
5. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)를 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅.

38.1 요청과 응답

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스를 서버에 요청request하고 서버로부터 응답response받아 브라우저에 시각적으로 렌더링하는 것.

필요한 리소스: HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 등 정적 파일 또는 서버가 동적으로 생성한 데이터

• 서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창 제공.
• URL 입력 후 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고 이 IP 주소를 갖는 서버에게 요청 전송

서버는 루트 요청에 대해 서버의 루트 폴더에 존재하는 정적 파일 index.html을 클라이언트(브라우저)로 응답. index.html이 아닌 다른 정적 파일을 서버에 요청하면 정적 파일의 경로와 파일 이름을 URI의 호스트 두의 패스(path)에 기술하여 서버에 요청.

자바스크립트를 통해 동적으로 서버에 정적/동적 데이터를 요청할 수도 있음 - ajax, REST API

HTML(index.html) 파싱하면서 외부 리소스를 로드하는 태그(CSS 파일 로드하는 link 태그, 이미지 파일 로드하는 img 태그, 자바스크립트 로드하는 script 태그)를 만나면 HTML의 파싱을 일시 중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청.

38.2 HTTP 1.1과 HTTP 2.0

• HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)
• 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜(규약)
• 1989년 팀 버너스 리 경이 HTML, URL과 함께 고안
• 1991년 최초 문서화, 1999년 HTTP/1.1, 2015년 HTTP/2

HTTP/1.1 : 기본적으로 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리. link 태그, img 태그, script 태그 등에 의한 리소스 요청이 개별적으로 전송되고 응답 또한 개별적으로 전송됨. 리소스 동시 전송이 불가능하므로 요청할 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가함.

HTTP/2 : 커넥션당 여러 개의 요청과 응답, 즉 다중 요청/응답이 가능. 여러 리소스 동시 전송이 가능하므로 페이지 로드 속도가 약 50% 정도 빠름.

38.3 HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트. 이를 시각적인 픽셀로 렌더링하기 위해 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야 함.

브라우저의 렌더링 엔진은 응답받은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM(Document Object Model)을 생성

1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저 요청에 의해 응답됨. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답함.
2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답 받음. 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 속성에 의해 지정된 인코딩 방식(예, UTF-8)으로 응답 헤더에 담겨 응답됨. 브라우저는 이를 문자열로 변환.
3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해.
4. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생성됨. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 됨.
5. HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 가짐. 즉, HTML 요소의 콘텐츠 영역(시작 태그와 종료 태그 사이)에는 텍스트 뿐만 아니라 다른 HTML 요소도 포함될 수 있음. 이때 HTML 요소 간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성. 이 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성. 이것을 DOM이라고 부름.

DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물.

38.4 CSS 파싱과 CSSOM 생성

렌더링 엔진은 HTML을 한 줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성. 생성하다가 외부 리소스를 로드하는 태그(link, style 태그)를 만나면 파싱을 일시 중단.
link 태그의 href 속성에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드한 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정(바이트 => 문자 => 토큰 => 노드 => CSSOM)을 거치며 해석하여 CSSOM(CSS Object Model)을 생성. 이후 CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성 재개.

38.5 렌더 트리 생성

렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 각각 DOM, CSSOM을 생성. DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리(render tree)로 결합됨.

렌더 트리 : 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조. 브라우저 화면 렌더링되지 않는 노드(meta 태그 script 태그)와 CSS에 의해 비표시(display : none;)되는 노드들은 포함되지 않음. 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성.
완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는 데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력됨.

• 브라우저 렌더링 과정은 반복 실행될 수 있음
  • 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
  • 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변형
  • HTML 요소의 레이아웃(위치, 크기)에 변경을 발생시키는 스타일 변경(width/height, margin, padding, border, display, position, top/right/bottom/left)
• => 리렌더링은 비용이 많이 드는, 성능에 악영향을 주는 작업. 가급적 빈번하게 발생하지 않도록 주의해야 함

38.6 자바스크립트 파싱과 실행

DOM은 HTML을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API를 제공. 자바스크립트에서 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있음.

렌더링 엔진은 HTML을 한 줄씩 파싱하다가 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단함.
script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 파일을 서버에 요청하여 로드한 자바스크립트 파일을 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘김. 이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML 파싱을 시작하여 DOM 생성 재개.
자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리함. 자바스크립트 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행함.

자바스크립트 엔진 : 구글 크롬과 Node.js의 V8, 파이어폭스의 SpiderMonkey, 사파리의 JavaScriptCore 등 다양함. ECMAScript 사양 준수.

자바스크립트 엔진은 자바스크립트를 해석하여 AST(Abstract Syntax Tree, 추상적 구문 트리)를 생성. AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드(intermediate code)인 바이트코드를 생성하여 실행.

1. 토크나이징
   1. 단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해.
2. 파싱
   1. 토큰들의 집합을 구문 분석하여 AST를 생성. AST는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조.
3. 바이트코드 생성과 실행
   1. 파싱의 결과물로서 생성된 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행.

38.7 리플로우와 리페인트

자바스크립트 코드에 DOM API가 사용된 경우 DOM이나 CSSOM이 변경됨. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우처 화면에 다시 렌더링
=> 리플로우(reflow), 리페인트(repaint)

리플로우 : 레이아웃 계산을 다시 하는 것. 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행.

리페인트 : 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것.

레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행.

38.8 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

렌더링 엔진과 자바스크립트 엔진은 병렬적이 아닌 직렬적으로 파싱 수행.

브라우저는 동기적(순차적)으로 HTML, CSS, JavaScript를 파싱하고 실행 => script 태그 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹되어 DOM 생성이 지연될 수 있는 것.

• body 요소의 가장 아래에 자바스크립트를 위치시키는 것은 좋은 아이디어.
  • DOM이 완성되지 않은 상태에서 자바스크립트가 DOM을 조작하면 에러 발생 가능.
  • 자바스크립트 로딩/파싱/실행으로 인해 HTML 요소들의 렌더링에 지장받는 일이 생기지 않아 페이지 로딩 시간이 단축됨.

38.9 script 태그의 async/defer 어트리뷰트

자바스크립트 파싱에 의해 DOM 생성이 중단(blocking)되는 문제를 근본적으로 해결하기 위해 HTML5부터 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가됨.

async와 defer 어트리뷰트는 src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용 가능.

• asnyc 어트리뷰트
  • HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행. 단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며, HTML 파싱이 중단됨
  • 여러 개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 순서 상관 없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 먼저 실행됨. 순서 보장이 필요한 경우 사용하지 말아야 함.
• defer 어트리뷰트
  • HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행. 자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM 생성이 완료된 직후 진행. DOM 생성이 완료된 이후 실행되어야 할 자바스크립트에 유용함.