[Javascript] Execution context

23 실행 컨텍스트 Execution context

Ref: Modern JS Deep Dive: 23장 실행 컨텍스트

• 실행 컨텍스트를 바르게 이해하면 스코프 기반으로 식별자와 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 방식과 호이스팅이 발생하는 이유, 클로저의 동작 방식, 그리고 태스크 큐와 함께 동작하는 이벤트 핸들러와 비동기 처리의 동작 방식을 이해할 수 있다.

23.1 소스코드의 타입

• ECMAScript 사양은 소스코드를 4가지 타입으로 구분한다. 4가지 타입의 소스코드는 실행 컨텍스트를 생성한다.
  1. 전역 코드 - 전역 실행 컨텍스트
  2. 함수 코드 - 함수 실행 컨텍스트
  3. eval 코드 - eval 실행 컨텍스트
  4. 모듈 코드 - 모듈 실행 컨텍스트

23.2 소스코드의 평가와 실행

• 자바스크립트 엔진은 소스코드를 2개의 과정, 즉 평가와 실행으로 나누어 처리한다.
• 평가 과정에서 실행 컨텍스트를 생성하고 변수, 함수 등의 선언문만 먼저 실행하여 생성된 변수나 함수 식별자를 키로 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프(렉시컬 환경의 환경 레코드)에 등록한다.
• 실행(런타임)되기 시작하면 실행에 필요한 정보, 즉 변수나 함수의 참조를 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에서 검색해서 취득한다. 그리고 변수 값의 변경 등 소스코드의 실행 결과는 다시 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록된다.

23.3 실행 컨텍스트의 역할

• 실행 컨텍스트는 소스코드를 실행하는 데 필요한 환경을 제공하고 코드의 실행 결과를 실제로 관리하는 영역이다.
• 식별자(변수, 함수, 클래스 등의 이름)를 등록하고 관리하는 스코프와 코드 실행 순서 관리를 구현한 내부 메커니즘으로, 모든 코드는 실행 컨텍스트를 통해 실행되고 관리된다.
• 식별자와 스코프는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경으로 관리하고 코드 실행 순서는 실행 컨텍스트 스택으로 관리한다.

23.4 실행 컨텍스트 스택

• 다음 예제를 살펴보자.

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 분류할 때 전역 코드와 함수 코드로 이루어져 있다.
• 자바스크립트 엔진은 먼저 전역 코드를 평가하여 전역 실행 컨텍스트를 생성한다. 그리고 함수가 호출되면 함수 코드를 평가하여 함수 실행 컨텍스트를 생성한다.
  1. 전역 코드의 평가 - { 실행 컨텍스트 스택에 푸시( x, foo() 등록) }, 전역 코드 실행 - { x 값 할당, 전역함수 foo() 호출 }
  2. foo 함수 코드의 평가 - { 실행 컨텍스트 스택에 푸시( y, bar() 등록 ) }, foo 함수 코드의 실행 - { y 값 할당, 중첩함수 bar() 호출 }
  3. bar 함수 코드의 평가 - { 실행 컨텍스트 스택에 푸시( z 등록 ) }, bar 함수 코드의 실행 - { z 값 할당, console.log 메서드 호출 }
  4. foo 함수 코드로 복귀 - bar 함수를 실행 컨텍스트 스택에서 pop하여 제거, 종료
  5. 전역 코드로 복귀 - foo 함수를 실행 컨텍스트 스택에서 pop하여 제거, 종료
• 이처럼 컨텍스트 스택은 코드의 실행 순서를 관리한다. 소스코드가 평가되면 실행 컨텍스트가 생성되고 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 쌓인다. 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 존재하는 실행 컨텍스트는 언제나 현재 실행 중인 코드의 실행 컨텍스트이며 ‘실행 중인 실행 컨텍스트running execution context‘라 부른다.

23.5 렉시컬 환경lexical environment

• 렉시컬 환경은 식별자와 식별자에 바인딩된 값, 그리고 상위 스코프에 대한 참조를 기록하는 자료구조로 실행 컨텍스트를 구성하는 컴포넌트다.
• 렉시컬 환경은 키와 값을 갖는 객체 형태의 스코프(전역, 함수, 블록 스코프)를 생성하여 식별자를 키로 등록하고 식별자에 바인딩된 값을 관리한다. 즉, 렉시컬 환경은 스코프를 구분하여 식별자를 등록하고 관리하는 저장소 역할을 하는 렉시컬 스코프의 실체다.
• 렉시컬 환경은 두개의 컴포넌트로 구성된다.
  1. 환경 레코드Environment Record
• 스코프에 포함된 식별자를 등록하고 등록된 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 저장소다. 환경 레코드는 소스코드의 타입에 따라 관리하는 내용에 차이가 있다.
  1. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조Outer Lexical Environment Reference
• 상위 스코프를 가리킨다. 해당 실행 컨텍스트를 생성한 소스코드를 포함하는 상위 코드의 렉시컬 환경을 말한다. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 단방향 링크드 리스트인 스코프 체인을 구현한다.

23.6 실행 컨텍스트의 생성과 식별자 검색 과정

• 다음 예제를 통해 어떻게 실행 컨텍스트가 생성되고 코드 실행 결과가 관리되는지, 그리고 어떻게 실행 컨텍스트를 통해 식별자를 검색하는지 살펴보자.

var x = 1;
const y = 2;

function foo(a) {
  var x = 3;
  const y = 4;
  
  function bar(b) {
    const z = 5;
    console.log( a + b + x + y + z );
  }
  
  bar(10);
}

foo(20); // 42

23.6.1 전역 객체 생성

• 전역 객체는 전역 코드가 평가되기 이전에 생성된다. 이때 전역 객체에는 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수. 그리고 표준 빌트인 객체가 추가되며 동작 환경 또는 특정 환경을 위한 호스트 객체를 포함한다.
• 전역 객체도 Object.prototype을 상속받는다. 즉, 전역 객체도 프로토타입 체인의 일원이다.

23.6.2 전역 코드 평가

• 소스코드가 로드되면 자바스크립트 엔진은 전역 코드를 평가한다. 전역 코드 평가는 다음과 같은 순서로 진행된다.
  1. 전역 실행 컨텍스트 생성
  2. 전역 렉시컬 환경 생성
     2.1. 전역 환경 레코드 생성
     2.1.1. 객체 환경 레코드 생성
     2.1.2. 선언적 환경 레코드 생성
     2.2. this 바인딩
     2.3. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

1. 전역 실행 컨텍스트 생성

• 전역 실행 컨텍스트를 생서앟여 실행 컨텍스트 스택에 푸시한다. 전역 실행 컨텍스트는 running execution context가 된다.

2. 전역 렉시컬 환경 생성

• 전역 렉시컬 환경Global Lexical Environment을 생성하고 전역 실행 컨텍스트에 바인딩한다.
• 렉시컬 환경은 2개의 컴포넌트, 즉 환경 레코드Environment Record와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조OuterLexicalEnvironmentReference로 구성된다.

2.1. 전역 환경 레코드 생성

• 전역 환경 레코드Global Environment Record는 전역 변수를 관리하는 전역 스코프, 전역 객체의 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체를 제공한다.
• 기존 var 키워드로 선언한 전역 변수와 ES6의 let, const 키워드로 선언한 전역 변수를 구분하여 관리하기 위해 전역 스코프 역할을 하는 전역 환경 레코드는 객체 환경 레코드Object Environment Record와 선언적 환경 레코드Declarative Environment Record로 구성되어 있다.
• 객체 환경 레코드는 기존의 전역 객체가 관리하던 var 키워드로 선언한 전역 변수와 함수 선언문으로 정의한 전역 함수, 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체를 관리하고, 선언적 환경 레코드는 let, const 키워드로 선언한 전역 변수를 관리한다.
• 즉, 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드는 서로 협력하여 전역 스코프와 전역 객체(전역 변수의 전역 객체 프로퍼티화)를 관리한다.

2.1.1. 객체 환경 레코드 생성

• 객체 환경 레코드는 BindingObject라고 부르는 객체와 연결된다. BindingObject는 전역 객체 생성시 생성된 전역 객체다.
• 전역 코드 평가 과정에서 var 키워드로 선언한 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수는 전역 환경 레코드의 객체 환경 레코드에 연결된 BindingObject를 통해 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 된다. 그리고 이때 등록된 식별자를 전역 환경 레코드의 객체 환경 레코드에서 검색하면 전역 객체의 프로퍼티를 검색하여 반환한다.
• 이것이 var 키워드로 선언된 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수가 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 되고 전역 객체를 가리키는 식별자(window) 없이 전역 객체의 프로퍼티를 참조할 수 있는 메커니즘이다.

2.1.2. 선언적 환경 레코드 생성

• let, const 키워드로 선언한 전역 변수(함수 표현식 포함)는 선언적 환경 레코드에 등록되고 관리된다.
• const 키워드로 선언한 변수는 “선언 단계”와 “초기화 단계”가 분리되어 진행한다. 따라서 런타임에 실행 흐름이 변수 선언문에 도달하기 전까지 일시적 사각지대Temporal Dead Zone: TDZ에 빠지게 된다.
• let, const 키워드로 선언한 변수도 변수 호이스팅이 발생하는 것은 변함이 없다. 단, let, const 키워드로 선언한 변수는 런타임에 컨트롤이 변수 선언문에 도달하기 전까지 일시적 사각지대에 빠지기 때문에 참조할 수 없다.

2.2. this 바인딩

• 전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩된다. 일반적으로 전역 코드에서 this는 전역 객체를 가리키므로 전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에는 전역 객체가 바인딩된다.

2.3. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

• 현재 평가 중인 소스코드를 포함하는 외부 소스코드의 렉시컬 환경, 즉 상위 스코프를 가리킨다. 이를 통해 단방향 링크드 리스트인 스코프 체인을 구현한다. 현재 평가 중인 소스코드는 전역 코드이므로 null이 할당된다. 이는 전역 렉시컬 환경이 스코프 체인의 종점에 존재함을 의미한다.

23.6.3 전역 코드 실행

• 변수 할당문이 실행되어 전역 변수 x, y에 값이 할당된다. 그리고 foo 함수가 호출된다.
• 선언되지 않은 식별자는 참조할 수 없으므로 변수 또는 함수 이름이 선언된 식별자인지 확인해야 한다.
• 식별자는 스코프가 다르면 같은 이름을 가질 수 있다. 따라서 어느 스코프의 식별자를 참조하면 되는지 결정할 필요가 있다. 이를 식별자 결정identifier resolution이라 한다.
• 식별자를 검색할 때에는 실행 중인 실행 컨텍스트에서 식별자를 검색하기 시작한다. 선언된 식별자는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 환경 레코드에 등록되어 있다.
• 만약 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자를 검색할 수 없으면 외부 렉시컬 환경에 대한 참조가 가리키는 환경, 즉 상위 스코프로 이동하여 식별자를 검색한다.
• 이것이 바로 스코프 체인의 동작 원리다. 전역 렉시컬 환경은 스코프 체인의 종점이므로 참조 에러ReferenceError를 발생시킨다.
• 이처럼 실행 컨텍스트는 소스코드를 실행하기 위해 필요한 환경을 제공하고 코드의 실행 결과를 실제로 관리하는 영역이다.

23.6.4 foo 함수 코드 평가

• foo 함수가 호출되면 전역 코드의 실행을 일시 중단하고 foo 함수 내부로 코드의 제어권이 이동한다. 그리고 함수 코드를 평가하기 시작한다. 함수 코드 평가는 아래 순서로 진행된다.
  1. 함수 실행 컨텍스트 생성
  2. 함수 렉시컬 환경 생성
     2.1. 함수 환경 레코드 생성
     2.2. this 바인딩
     2.3. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정
• 세부적인 생성 과정을 순서대로 살펴보자

  1. 함수 실행 컨텍스트 생성

• 먼저 foo 함수 실행 컨텍스트를 생성하고 함수 렉시컬 환경이 완성된 다음 실행 컨텍스트 스택에 푸시된다. foo 함수 실행 컨텍스트는 running execution context가 된다.

  2. 함수 렉시컬 환경 생성

• foo 함수 렉시컬 환경Function Lexical Environment을 생성하고 foo 함수 실행 컨텍스트에 바인딩한다.

  2.1. 함수 환경 레코드 생성

• 함수 렉시컬 환경을 구성하는 컴포넌트 중 하나인 함수 환경 레코드Function Environment Record는 매개변수, arguments 객체, 햄수 내부에서 선언한 지역 변수와 중첩 함수를 등록하고 관리한다.

  2.2. this 바인딩

• 함수 환경 레코드의 [[ThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩된다. 바인딩될 객체는 함수 호출 방식에 따라 결정된다.
• foo 함수는 일반 함수로 호출되었으므로 this는 전역 객체를 가리킨다. 따라서 [[ThisValue]] 내부 슬롯에는 전역 객체가 바인딩된다.

  2.3. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

• 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 foo 함수 정의가 평가된 시점에 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 할당된다.
• foo 함수는 전역 코드에 정의된 전역 함수이므로 foo 함수 정의는 전역 코드 평가 시점에 평가된다. 이 시점의 실행 중인 실행 컨텍스트는 전역 실행 컨텍스트다. 따라서 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 전역 렉시컬 환경의 참조가 할당된다.
• 자바스크립트 엔진은 함수 정의를 평가하여 함수 객체를 생성할 때 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 함수의 상위 스코프를 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장한다. 함수 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 할당되는 것은 바로 함수의 상위 스코프를 가리키는 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조다. 즉, 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]가 바로 렉시컬 스코프를 구현하는 메커니즘이다.
• 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]와 렉시컬 스코프는 클로저를 이해할 수 있는 중요한 단서다.

23.6.5 foo 함수 코드 실행

• 런타임이 시작되어 foo 함수의 소스코드가 순차적으로 실행되기 시작한다. 매개변수에 인수가 할당되고, 변수 할당문이 실행되어 지역 변수 x, y에 값이 할당된다. 그리고 함수 bar가 호출된다.
• 이때 식별자 결정을 위해 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자를 검색하기 시작한다. 모든 식별자는 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 모두 검색할 수 있다. 검색된 식별자에 값을 바인딩한다.

23.6.6 bar 함수 코드 평가

• bar 함수 내부로 코드의 제어권이 이동한다. 그리고 bar 함수 코드를 평가하기 시작한다. 실행 컨텍스트와 렉시컬 환경의 생성 과정은 foo 함수 코드 평가와 동일하다.

23.6.7 bar 함수 코드 실행

• 런타임이 시작되어 bar 함수의 소스코드가 순차적으로 실행되기 시작한다. 매개변수에 인수가 할당되고, 변수 할당문이 실행되어 지역 변수 z에 값이 할당된다. 그리고 console.log( a + b + x + y + z);가 실행된다. 이 코드는 다음 순서로 실행된다.
  1. console 식별자 검색
  • console 식별자를 스코프 체인에서 검색한다. bar 함수 렉시컬 환경에서 검색 -> foo 함수 렉시컬 환경에서 검색 -> 전역 렉시컬 환경에서 검색 -> 전역 렉시컬 환경의 객체 환경 레코드의 BindingObject를 통해 전역 객체에서 찾을 수 있음. 2. log 메서드 검색
  • console 객체에서 log 메서드를 검색한다. 이때 console 객체의 프로토타입 체인을 통해 메서드를 검색한다. log 메서드는 상속된 프로퍼티가 아니라 console 객체가 직접 소유하는 프로퍼티다.

 console.hasownProperty('log'); // true

1. 표현식 a + b + x + y + z의 평가
   • a, b, x, y, z 식별자를 검색한다. a - foo 함수 렉시컬 환경, b - bar 함수 렉시컬 환경, x,y - foo 함수 헥시컬 환경, z - bar 함수 렉시컬 환경에서 검색된다.
2. console.log 메서드 호출
   • 표현식 a + b + x + y + z 이 평가되어 생성한 값을 console.log 메서드에 전달하여 호출한다.

23.6.8 bar 함수 코드 실행 종료

• console.log 메서드가 호출되고 종료하면 더는 실행할 코드가 없으므로 bar 함수 코드의 실행이 종료된다. 이때 실행 컨텍스트 스택에서 bar 함수 실행 컨텍스트가 팝되어 제거되고 foo 실행 컨텍스트가 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다.
• 실행 컨텍스트 스택에서 bar 함수 실행 컨텍스트가 제거되었다고 해서 bar 함수 렉시컬 환경까지 즉시 소멸하는 것은 아니다. 렉시컬 환경은 실행 컨텍스트에 의해 참조되기는 하지만 독립적인 객체다. 객체를 포함한 모든 값은 누군가에 의해 참조되지 않을 때 비로소 가비지 컬렉터에 의해 메모리 공간의 확보가 해제되어 소멸한다.

23.6.9 foo 함수 코드 실행 종료

• bar 함수가 종료하면 더 이상 실행할 코드가 없으므로 foo 함수 코드의 실행이 종료된다. 이때 실행 컨텍스트 스택에서 foo 함수 실행 컨텍스트가 팝되어 제거되고 전역 실행 컨텍스트가 실행 중인 컨텍스트가 된다.

23.6.10 전역 코드 실행 종료

• foo 함수가 종료되면 더는 실행할 코드가 없으므로 전역 코드의 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트도 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 실행 컨텍스트 스택에는 아무것도 남아있지 않게 된다.

23.7 실행 컨텍스트와 블록 레벨 스코프

• 다음 예제를 살펴보자.

let x = 1;

if(true){
  let x = 10;
  console.log(x); // 10
}

console.log(}x); // 1

• let 키워드로 변수가 선언된 if 문의 코드 블록이 실행되면 블록 레벨 스코프를 생성해야 한다. 이를 위해 선언적 환경 레코드를 갖는 렉시컬 환경을 새롭게 생성하여 기존의 전역 렉시컬 환경을 교체한다. 이때 if문의 코드 블록을 위한 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 if 문이 실행되기 이전의 전역 렉시컬 환경을 가리킨다.
• if문 코드 블록의 실해이 종료되면 실행되기 이전의 렉시컬 환경으로 되돌린다.
• 이는 if문뿐 아니라 블록 레벨 스코프를 생성하는 모든 블록문에 적용된다.
• for문의 변수 선언문에 let 키워드를 사용하면 코드 블록이 반복해서 실행될 때마다 코드 블록을 위한 새로운 렉시컬 환경을 생성한다. 만약 for문의 코드 블록 내에서 정의된 함수가 있다면 이 함수의 상위 스코프는 for 문의 코드 블록이 생성한 렉시컬 환경이다.
• 이때 함수의 상위 스코프는 for 문의 코드 블록이 반복해서 실행될 때마다 식별자(for문의 변수 선언문 및 for문의 코드 블록 내에서 선언된 지역 변수 등)의 값을 유지해야 한다. 이를 위해 for문의 코드 블록이 반복해서 실행될 떄마다 독립적인 렉시컬 환경을 생성하여 식볋자의 값을 유지한다.