[ Deep Dive 정리 ] 24장. 클로저

클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니다. 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어(하스켈, 리스프, 스칼라 등)에서 사용되는 중요한 특성이다.

MDN에서는 클로저에 대해 다음과 같이 정의하고 있다.

A closure is the combination of a function and the lexical environment within which that function was declared.
(클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.)

클로저를 자세히 알아보기 전 위 정의에서 가장 먼저 이해해야 할 핵심 키워드인 "함수가 선언된 렉시컬 환경"에 대해서 먼저 알아보자.

const x = 1;
function outerFunc() {
    const x = 10;
    function innerFunc() {
        console.log(x); // 10
    }
    innerFunc();
}
outerFunc();

outerFunc 함수 내부에서 중첩 함수 innerFunc가 정의되고 호출되었다. 이때 중첩 함수 innerFunc의 상위 스코프는 외부 함수 outerFunc의 스코프다. 따라서 중첩 함수 innerFunc 내부에서 자신을 포함하고 있는 외부 함수 outerFunc의 변수 x에 접근할 수 있다.

만약 innerFunc 함수가 outerFunc 함수의 내부에서 정의된 중첩 함수가 아니라면 innerFunc 함수를 outerFunc 함수의 내부에서 호출한다 하더라도 outerFunc 함수의 변수에 접근할 수 없다.

 

이 같은 현상이 발생하는 이유는 자바스크립트가 렉시컬 스코프를 따르는 프로그래밍 언어이기 때문이다.

24.1 렉시컬 스코프

자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정한다. 다시 말해 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경(위치)에 의해 결정된다. 이를 렉시컬 스코프(정적 스코프)라 한다.

24.2 함수 객체의 내부 슬롯 [[ Environment ]]

함수가 정의된 환경과 호출되는 환경은 다를 수 있다. 하지만 렉시컬 스코프가 가능하려면 함수가 정의된 환경, 즉 상위 스코프(함수 정의가 위치하는 스코프가 바로 상위 스코프)를 기억해야한다.

이를 위해 함수는 자신의 내부 슬롯 [[ Envorinment ]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장한다.

따라서 함수 객체의 내부 슬록 [[ Environemnt ]]에 저장된 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프다. 또한 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장될 참조값이다. 함수 객체는 내부 슬롯 [[ Environment ]]에 저장한 렉시컬 환경의 참조, 즉 상위 스코프를 자신이 존재하는 한 기억한다.

24.3 클로저와 렉시커환경

const x = 1;
// 1.
function outer() {
    const x = 10;
    const inner = function () { console.log(x); }; // 2.
    return inner
}
const innerFunc = outer(); // 3.
innerFunc(); // 4. 10

위의 예제를 보면 outer 함수가 3번에서 호출이 되면 inner 함수를 반환하고 생명 주기를 마감한다. 즉, outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거가 되고, 그 안에 저장되어 있던 변수 x와 x에 할당되어 있던 10이라는 값도 생명 주기를 마감한다. 그럼 2번에서 inner 함수가 outer 함수의 지역 변수인 x에 접근할 방법이 없어 전역변수인 x의 값 1이 출력이 되어야 하는데 4번에서는 10이라는 값이 출력되었다.

이처럼 외부 함수보다 중첩함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다. 이러한 중첩 함수를 클로저라고 부른다.

 

위 예제를 통해 클로저의 정의를 이해할 수 있게 되었다. 하지만 10이라는 값이 출력되는 게 여전히 이해가 가지않는다. 10이라는 값이 출력되는 이유를 알아보자.

 

1번. outer 함수가 평가되어 함수 객체를 생성할 때 

• 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 객체의 [[ Environment ]] 내부 슬롯에 상위 스코프로서 저장한다. outer 함수를 호출하면 outer 함수의 렉시컬 환경이 생성되고 앞서 outer 함수 객체의 [[ Environment ]] 내부 슬롯에 저장된 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 할당한다.

2번. 중첩 함수 inner가 평가될 때(여기서 inner 함수는 함수 표현식으로 정의했기 때문에 런타임에 평가된다.)

• 이때 중첩 함수 inner는 자신의 [[ Environment ]] 내부 슬롯에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 outer 함수의 렉시컬 환경의 상위 스코프로서 저장한다.

3번. outer 함수의 실행이 종료되면 inner함수를 반환하면서 outer 함수의 생명 주기가 종료

• outer 함수의 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에서 제거된다. 이때 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거되지만 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸되는 것은 아니다.
• outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[ Environment ]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있고 inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않기 때문이다.

4번. outer 함수가 반환한 inner 함수를 호출할 때

• inner 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고 실행 컨텍스트 스택에 푸시된다. 그리고 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 inner 함수 객체의 [[ Environment ]] 내부 슬롯에 저장되어 있는 참조값이 할당된다.

중첩함수 inner는 외부 함수 outer보다 더 오래 생존했다. 이때 외부 함수보다 더 오래 생존한 중첩 함수는 외부 함수의 생존 여부(실행 컨텍스트의 생존 여부)와 상관없이 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억한다. 이처럼 중첩 함수 inner의 내부에서는 상위 스코프를 참조할 수 있으므로 상위 스코프의 식별자를 참조할 수 있고 식별자의 값을 변경할 수도 있다.

 

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로는 모든 함수는 클로저다. 하지만 모든 함수를 일반적으로 클로저라고 하지 않는다. 예를 들면 다음과 같은 상황의 중첩함수는 클로저가 아니라고 볼 수 있다.

1. 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 생존하지만 상위 스코프의 어떤 식별자도 참조하지 않을 때

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

2. 중첩 함수가 상위 스코프의 식벼자를 참조하고 있지만 외부함수가 중첩함수를 반환하지 않아 중첩함수의 생명주기가 외부함수보다 짧을 때

function foo() {
    const x = 1;
    
    function bar() {
        console.log(x);
    }
    bar();
}
foo();

따라서 클로저는 중첩 함수가 상위 스코프의 식별자를 참조하고 있고 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정하는 것이 일반적이다.

24.4 클로저의 활용

클로저는 상태(state)를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다. 다시말해, 상태가 의도치 않게 변경되지 않도록 상태를 안전하게 은닉하고 특정함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다.

 

예를 들어 함수가 호출될 때마다 호출된 횟수를 누적하며 출력하는 카운터를 만들어 보자.

let num = 0;

const increase = function () {
    return ++num;
}
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3

위의 코드는 잘 작동하지만 오류를 발생시킬 가능성을 가지고 있는 안좋은 코드이다. 위 예제가 바르게 동작하려면 2가지 전제 조건이 지켜져야 한다.

1. 카운트 상태(num 변수의 값)은 increase 함수가 호출되기 전까지 변경되지 않고 유지되어야 한다.
2. 이를 위해 카운트 상태(num 변수의 값)는 increase 함수만이 변경할 수 있어야 한다.

하지만 카운트 상태는 전역 변수를 통해 관리되고 있기 때문에 언제든지 누구나 접근할 수 있고 변경할 수 있다.(암묵적 결합) 따라서 카운트 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해서는 increase 함수만이 num 변수를 참조하고 변경할 수 있게 하는 것이 바람직하다. 이를 위해 전역 변수 num을 increase 함수의 지역 변수로 바꾸어 의도치 않은 상태 변수를 방지해보자.

const increase = function() {
    let num = 0;
    return ++num;
}
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1

이제 num 변수의 상태는 increase 함수만이 변경가능하다. 하지만 increase 함수가 호출될때마다 지역 변수num은 다시 선언되고 0으로 초기화되기 때문에 출력 결과는 언제나 1이다. 이제는 이전 상태를 유지할 수 있도록 클로저를 사용해보자.

const increase = (function() {
    let num = 0;
    return function() {
        return ++num;
    };
}());
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3

위 코드가 실행되면 즉시 실행 함수가 호출되고 즉시 실행 함수가 반환한 함수가 increase 변수에 할당된다. increase 변수에 할당된 함수는 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하는 클로저다.

즉시 실행 함수는 호출된 이후 소멸되지만 즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 increase 변수에 할당되어 호출된다. 클로저는 자신의 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하고 있기 때문에 자유 변수 num을 참조하고 변경할 수 있다.

 

이렇게 클로저를 이용하면 num 변수가 호출될 때마다 초기화되는 경우도 없고 외부에서 직접 접근할 수도 없는 은닉된 private 변수이므로 의도되지 않은 변경을 걱정할 필요없는 코드가 된다.

24.5 캡슐화와 정보 은닉

캡슐화 : 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 동작인 메서드를 하나로 묶는 것.

정보 은닉 : 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 캡슐화를 사용하는 것.

정보 은닉은 외부에 공개할 필요가 없는 구현의 일부를 외부에 공개되지 않도록 감추어 적절치 못한 접근으로부터 객체의 상태가 변경되는 것을 방지해 정보를 보호하고, 객체 간의 상호 의존성, 즉 결합도를 낮추는 효과가 있다.

 

자바스크립트는 public, private, protected 같은 접근 제한자를 제공하지 않는다. 자바스크립틔 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 public 하다.

const Person = (function () {
  let _age = 0

  // 생성자 함수
  function Person(name, age) {
    this.name = name
    _age = age
  }

  // 프로토타입 메서드
  Person.prototype.sayHi = function () {
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}`)
  }

  // 생성자 함수를 반환
  return Person
})()

const me = new Person("Seo", 20)
me.sayHi()
console.log(me.name)
console.log(me._age)

const you = new Person("Daewon", 30)
you.sayHi()
console.log(you.name)
console.log(you.age)

 

위 패턴을 사용하면 접근 제한자를 제공하지 않는 자바스크립트에서도 정보 은닉이 가능한 것처럼 보인다. 즉시 실행 함수가 반한하는 Person 생성자 함수와 Person 생성자 함수의 인스턴스가 상속받아 호출할 Person.prototype.sayHi 메서드는 즉시 실행 함수가 종료된 이후 호출된다. 하지만 Person 생성자 함수와 sayHi 메서드는 이미 종료되어 소멸한 즉시 실행 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 있는 클로저다.

 

하지만 위 코드도 문제점이 있다. Person 생성자 함수가 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 _age 변수의 상태가 유지되지 않는다는 점이다. 이는 Person.prototype.sayHi 메서드가 단 한 번 생성되는 클로저이기 때문에 발생하는 현상이다. Perosn.prototype.sayHi 메서드는 자신의 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조를 [[Environment]]에 저장하여 기억한다. 따라서 Person 생성자 함수의 모든 인스턴스가 상속을 통해 호출할 수 있는 Person.prototype.sayHi 메서드의 상위 스코프는 어떤 인스턴스로 호출하더라도 하나의 동일한 상위 스코프를 사용하게 된다. 그래서 _age 변수가 상태가 유지되지 않는 것이다.

 

이처럼 자바스크립트는 정보 은닉을 완벽하게 지원하지 않는다. 인스턴스 메서드를 사용한다면 private를 흉내낼 수 있지만 프로토타입 메서드를 사용하면 이마저도 불가능해진다. 하지만 2021년 1월에 TC39 프로세서의 stage 3에는 클래스의 private필드를 정의할 수 있는 새로운 표준 사양이 제안되어 있다.

24.6 자주 발생하는 실수

var funcs = []

for (var i = 0; i < 3; i++) { // i는 var키워드로 선언했기 때문에 전역 변수
  funcs[i] = function () {
    return i
  }
}

for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]())
}

위 예제는 클로저를 사용할 때 자주 발생할 수 있는 실수를 보여주는 예제이다.

0, 1, 2 차례대로 출력될거라고 기대했지만 정작 출력값은 3이다. 이러한 값이 나오는 가장 큰 이유는 for 문의 변수 선언문에서 var 키워드로 선언한 변수가 전역변수이기 때문에 발생하는 현상이다. var 키워드대신 let 키워드를 사용하면 원하는 결과값을 얻을 수 있다.

클로저를 사용해 위 예제를 바르게 동작하는 코드로 만들어보자.

var funcs = [];

for (var i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = (function (id) {
    return function () {
      return id
    }
  })(i)
}

for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]())
}