[CS] 브라우저의 동작 원리

브라우저의 동작 원리는 면접에서 많이 나오는 질문이기도 하고 반드시 알아야 할 기본 개념 중 하나이기도 하다.

딥다이브 책에 자세히 서술되어 있어서 공부할 겸 정리해보았는데, 브라우저의 동작 원리를 파악하고 나니 index.html의 코드 로직에 대해서 잘 이해할 수 있었다.

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브라우저의 핵심 기능은 사용자가 참조하고자 하는 웹페이지를 서버에 요청하고 서버의 응답을 받아 브라우저에 표시하는 것이다. 이를 위해 브라우저는 서버로부터 HTML, CSS Javascript, 이미지 파일 등을 응답받는다.

HTML, CSS

HTML, CSS 파일은 렌더링 엔진의 HTML 파서와 CSS 파서에 의해 파싱되어 DOM, CSSOM 트리로 변환되고 렌더 트리로 결합된다.

 

[ HTML 파싱과 DOM 생성 ]

브라우저의 요청에 의해 서버가 응답한 HTML문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트다. 순수한 텍스트인 HTML 문서를 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야 한다.

브라우저의 렌더링 엔진은 다음과 같은 과정을 통해 HTML을 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM을 생성한다. 

1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답한다.

 

2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트 형태로 응답받는다. 그리고 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식(예: UTF-8)을 기준으로 문자열로 변환한다. 참고로 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 선언된 인코딩 방식은 content-type: text/html; charset=utf-8과 같이 응답 헤더에 담겨 응답된다. 브라우저는 이를 확인하고 문자열로 변환한다.

 

3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.

 

4. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성한다. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생서된다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.

 

5. HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 갖는다. 즉, HTML 요소의 콘텐츠 영역(시작 태그와 종료 태그 사이)에는 텍스트뿐만 아니라 다른 HTML 요소도 포함될 수 있다. 이때 HTML 요소 간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다. 이러한 HTML 요소 간의 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM이라 부른다.

 

즉, DOM은 HTML을 파싱한 결과물이다.

 

[ CSS파싱과 CSSOM 생성 ]

렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한 줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성해 나간다. 이처럼 렌더링 엔진은 DOM을 생성해 나가다가 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

 

그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드한 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정을 거치며 해석하여 CSSOM을 생성한다. 이 트리에는 스타일, 규칙, 선택자 등의 정보가 노드에 들어가게 된다. 이후 CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다.

 

[ 렌더 트리 ]

생성된 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.

렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료 구조이다. 따라서 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드(예: meta 태그, script 태그 등)와 CSS에 의해 비표시(예 : display: none)되는 노드들은 포함되지 않는다. 다시말해, 렌더 트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.

 

이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.

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자바스크립트 파싱과 실행

HTML 문서를 파싱한 결과물로서 생성된 DOM은 HTML 문서의 구조와 정보뿐만 아니라 HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API를 제공한다. 즉, 자바스크립트 코드에서 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있다.

 

CSS 파싱 과정과 마찬가지로 렌더링 엔진은 HTML을 한 줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성해 나가다가 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그나 자바스크립트 코드를 콘텐츠로 담은 sciprt를 만나면 DOM 생성을 일시적으로 중단한다.

그리고 script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 로드한 자바스크립트 파일이나 script 태그 내의 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘긴다. 이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML 파싱이 중당된 지점부터 다시 HTML파싱을 시작하여 DOM 생성을 재개한다.

 

자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다. 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행하는 역할을 한다. 자바스크립트 엔진은 구글 크롬과 Node.js의 V8, 파이어폭스의 SpiderMonkey, 사파리의 JavaScriptCore등이 있으며, 모든 자바스크립트 엔진은 ECMAScript 사양을 준수한다.

 

렌더링 엔진으로부터 제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하기 시작하는데, 자바스크립트 코드를 해석하여 AST(추상적 구문 트리)를 생성한다. 그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.

 

‼️ script 태그가 가장 마지막에 위치해야 하는 이유 !!

브라우저의 렌더링 과정은 HTML 문서로부터 시작한다. 파싱하는 과정 중에 CSS나 Javascript 태그들을 만났을 때는 DOM 생성을 중지하고 CSS 파일을 파싱하거나, 자바스크립트 엔진으로 제어권한을 넘기게 된다.

 

하지만 만약 DOM의 생성이 완료되지 않은 상황에서 자바스크립트 코드를 실행하고 코드에서 아직 생성되지 않은 DOM에 접근해 조작하려고 한다면 에러가 발생할 수 있다. 그래서 가장 마지막에 script 태그가 위치하면, DOM의 생성이 완료되었기 때문에 이를 조작한다 해도 문제가 발생하지 않는다.

 

그리고 스트립트 태그를 마지막에 위치시키게 되면 자바스크립트가 실행되기 전에 DOM의 생성이 완료되어 렌더링되기 때문에, 페이지의 로딩 시간이 단축된다는 이점이 있다.

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리플로우(레이아웃 단계)와 리페인트

만약 자바스크립트 코드에 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우 DOM이나 CSSOM이 변경된다. 이때 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다. 이를 리플로우와 리페인트라고 한다.

 

리플로우는 레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며, 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 위도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.

리페인트는 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.

따라서 리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니다. 레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행된다.

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script 태그의 async/defer 어트리뷰트

자바스크립트 파싱에 의한 DOM 생성이 중단되는 문제를 근본적으로 해결하기 위해 HTML5부터 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다.

async와 defer 어트리뷰트는 src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다. 즉, src 어트리뷰트가 없는 인라인 자바스크립트에는 사용할 수 없다.

<script async src="extern.js"></script>
<script defer src="extern.js"></script>

async와 defer 어트리뷰트를 사용하면 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. 하지만 자바스크립트의 실행 시점에 차이가 있다.

 

async 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. 단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며, 이때 HTML 파싱이 중단된다.

 

여러개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 script 태그의 순서와는 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않는다. 따라서 순서 보장이 필요한 script 태그에는 async 어트리뷰트를 지정하지 않아야 한다.

 

defer 어트리뷰트

async 어트리뷰트와 마찬가지로 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. 단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM이 생성이 완료된 직후(이때 DOMContentLoaded 이벤트가 발생한다.) 진행된다. 따라서 DOM 생성이 완료된 이후 실행되어야 할 자바스크립트에 유용하다.

 

각각의 순서 차이는 아래 그림을 통해 쉽게 확인할 수 있다.