[JavaScript] 브라우저 동작 과정

대부분의 브라우저는 싱글 스레드로 동작합니다.
화면의 구조가 변경되었을 때에는 Reflow와 Repaint 과정이 발생합니다.
JavaScript 파일의 파싱이 진행될 때에는 제어권이 렌더링 엔진에서 JavaScript 엔진으로 넘어갑니다.
JavaScript 파일의 파싱이 끝나면 렌더링 엔진으로 제어권이 다시 넘어갑니다.

웹 브라우저와 웹 서버의 통신과정

브라우저의 주요 기능은 사용자가 자원을 서버에 요청하고 요청한 자원을 브라우저에 표시하는 것입니다.

웹 브라우저에 URL을 입력하면 웹 서버라 불리는 프로그램이 웹 브라우저에 웹 페이지를 제공합니다.

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웹 브라우저가 웹서버에 웹 페이지를 달라고 하는것 : 요청(request)

요청한 웹 페이지를 웹 브라우저에 제공하는 것 : 응답(response)

보통 웹 브라우저와 웹 서버는 다른 컴퓨터에 위치합니다. 웹 서버가 다른 컴퓨터에서 실행되고 있기 때문에, 웹 브라우저가 웹 서버에 연결하려면, 웹 서버가 실행중인 컴퓨터의 주소를 알아야 하는데, 이 주소를 IP 주소라 합니다.

각 컴퓨터는 IP주소를 가지고 있습니다. 그런데 IP주소는 192.168.0.1 과 같은 숫자들로 구성되어 있어서 외우기 쉽지 않습니다. 이런 이유로 IP 주소 대신에 "google.com"과 같이 사람이 기억하기 좋은 도메인 이름을 사용합니다.

웹 브라우저와 웹 서버는 IP 주소를 이용하여 연결하기 때문에 도메인 이름을 IP 주소로 변환할 필요가 있는데, 이 때 사용하는 것이 바로 **DNS(Domain Name System)**입니다. 웹 브라우저에서 URL을 입력하면, 웹 브라우저는 도메인 이름에 해당하는 IP 주소를 DNS 서버에 요청하고, DNS 서버는 IP주소를 응답으로 제공합니다.

DNS로 부터 IP 주소를 받으면, 웹 브라우저는 3번 과정처럼 IP 주소를 이용해서 웹 서버에 연결한 뒤 URL에 해당하는 웹 페이지를 요청하고, 웹 페이즈를 응답받게 됩니다.

일반적으로 네트워크 프로그램에서 요청하는 쪽을 클라이언트(Client)라고 부르고, 요청을 받아 알맞은 기능이나 데이터를 제공하는 쪽을 서버(Server)라고 부릅니다.

웹 브라우저의 주요 기능

브라우저의 주요 기능은 사용자가 선택한 자원을 서버에 요청하고 브라우저에 표시하는 것입니다. 브라우저의 사용자 인터페이스는 다음과 같은 요소들이 일반적입니다.

URI를 입력할 수 있는 주소 표시 줄
이전 버튼과 다음 버튼
북마크
새로고침 버튼과 현재 문서의 로드를 중단할 수 있는 정지버튼
홈버튼

브라우저의 기본 구조

먼저 브라우저의 구성요소를 살펴봅시다.

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각 구성 요소는 다음과 같은 역할을 합니다. 물론 구조는 브라우저마다 조금씩 다를 수 있습니다.

사용자 인터페이스: 주소 표시줄, 이전/다음 버튼, 북마크 등 페이지 뷰 이외에 다른 부분
브라우저 엔진: 사용자 인터페이스와 렌더링 엔진 사이 동작을 제어
렌더링 엔진: HTML, CSS를 파싱해 화면에 요청한 컨텐츠를 표시
통신: HTTP 요청과 같은 네트워크 호출에 사용됨
JS 엔진: JavaScript 코드를 해석하고 실행
UI 백엔드: 기본적인 위젯(콤보 박스 등)을 그림
자료 저장소: 자료를 저장하는 계층으로 쿠키, 세션 등을 저장하는 웹 데이터베이스

크롬은 대부분의 브라우저와 달리 각 탭마다 별도의 렌더링 엔진 인스턴스를 유지하는 것이 특징입니다. 각 탭은 독립된 프로세스로 처리됩니다.

렌더링 엔진

렌더링 엔진은 요청받은 내용을 브라우저 화면에 표시해주는 역할을 합니다. 브라우저마다 사용하는 렌더링 엔진이 다르기 때문에, 모든 브라우저가 동일한 소스를 화면에 동일하게 그려주지 않고 엔진마다 읽을 수 있는 코드의 버전도 다르기 때문에 크로스 브라우징 이슈가 발생하곤 합니다.

브라우저	렌더링 엔진
Edge	EdgeHTML, Blink
Chrome	Webkit, Blink(버전 28 이후)
Safari	Webkit
FireFox	Gecko

FireFox는 게코, 사파리는 웹킷, 크롬의 경우 웹킷을 사용하다가 웹킷을 Fork하여 블링크 엔진을 자체적으로 구현하여 사용합니다. 각각의 렌더링 엔진들은 웹 표준에 따라서 개발자들이 작성한 문서를 브라우저에 보여주지만, 개발 진척도나 별도 규칙에 따라 지원하는 표준이 다르거나 렌더링 알고리즘 방식에 차이가 있을 수 있습니다.

렌더링 엔진 동작 과정

다음은 렌더링 엔진의 기본적인 동작 과정입니다.

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이제 이 과정에 대해 웹킷 엔진을 기준으로 자세히 알아보겠습니다.

DOM, CSSOM 생성

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HTML을 파싱하여 DOM 노드를 만듭니다. 이 DOM 노드들을 병합하여 DOM 트리를 만듭니다.
CSS를 파싱하여 CSSOM 트리를 만들게 됩니다.

브라우저는 렌더링할 문서를 HTML과 CSS로 나눠서 읽게 됩니다. 이때 HTML과 CSS는 단순한 텍스트이므로 각각 연산과 관리가 가능하도록 HTML Parser와 CSS Parser를 사용해 관리가 가능한 Object Model로 만듭니다.

렌더링 엔진은 좀 더 나은 사용자 경험을 위해 가능한 빠르게 내용을 표시해야 하기 때문에 모든 HTML을 파싱할 때까지 기다리지 않고 배치와 그리기 과정을 시작합니다. 네트워크로부터 나머지 내용이 전송되기를 기다리는 동시에 받은 내용의 일부를 먼저 화면에 표시하는 것입니다.

HTML 파싱과 DOM 생성 과정

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서버는 브라우저로부터 요청받은 HTML 파일을 읽은 후 메모리에 저장하고 메모리에 저장된 바이트 코드를 응답합니다.
브라우저는 응답받은 바이트 형태의 문서를 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 지정된 인코딩 방식에 따라 문자열로 변환시킵니다.
문자열로 변환된 HTML 문서를 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰 단위로 분해합니다.
토큰들의 내용에 따라 객체로 변환하여 각 노드들을 생성합니다.
HTML은 요소 간의 부자 관계인 중첩 관계를 갖는데, 이를 반영해 모든 노드들을 트리 구조로 구성하여 DOM을 만듭니다.

CSS 파싱과 CSSOM 생성 과정

렌더링 엔진은 HTML 문서를 한줄 한줄 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성합니다. 그러다가 CSS를 로드하는 link 태그 혹은 style 태그를 만나면 DOM 생성을 중지한 후 CSS 파싱의 결과물인 CSSOM을 생성하는 과정을 진행합니다.

<!DOCTYPE html>
<html>
	<head>
		<meta charset="UTF-8"> // 여기까지 해석 후,
	  <link rel="stylesheet" href="style.css"> //link를 만나면 DOM생성을 중지하고 CSS파일을 서버에 요청한 후 응답받아 CSS파싱을 시작한다.
  ...

CSS 파싱 과정은 바이트 > 문자 > 토큰 > 노드 > CSSOM 생성 순으로 HTML의 파싱 과정과 동일합니다.

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JavaScript 파싱 과정

렌더링 엔진은 HTML 문서를 한 줄씩 순차적으로 파싱하다가 JavaScript 파일을 로드하는 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단합니다.

script 태그의 src 속성에 정의된 JavaScript 파일을 서버에 요청하여 응답받으면 JavaScript 코드를 파싱하기 위해 JavaScript 엔진에게 제어권을 넘깁니다.

JavaScript 파싱이 끝나면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘기고 DOM 생성을 이어나갑니다.

만약 생성되지 않은 DOM을 조작한다면 에러가 발생할 수 있습니다. 따라서 body 요소 맨 아래에 script 태그를 위치시키거나 DOM 생성이 완료된 시점에 JavaScript가 실행되도록 합니다.

JavaScript 코드를 토크나이저가 어휘를 분석하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해하는데 이것을 토크나이징이라 합니다.
Parser가 토큰들을 구문분석하여 AST(Abstract Syntax Tree: 추상 구문 트리)로 파싱합니다.
바이트 코드 생성기가 AST를 바이트 코드로 변환시킵니다.
인터프리터에 의해 바이트 코드를 실행합니다.

렌더 트리 구축(Attachment)

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CSSOM 트리와 DOM 트리를 결합하여 표시해야 할 순서로 내용을 그려낼 수 있도록 하기 위해 렌더 트리를 형성합니다. 이 과정을 Attachment라고 합니다.

렌더 트리는 화면에 표시되는 각 노드의 위치를 계산하는 레이아웃에 사용되고 픽셀을 화면에 그리는 페인트 과정에도 사용됩니다.

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위 이미지는 DOM과 CSSOM을 결합하여 렌더 트리를 생성하는 과정입니다.

렌더 트리를 생성하려면 브라우저는 크게 3가지 작업을 수행합니다.

DOM 트리의 루트부터 노드 각각을 모두 탐색합니다.
- 이때 화면에 표시되지 않는 일부 노드들(script, meta 태그 등)은 렌더 트리에서 제외됩니다.
- 또한 CSS 속성 중 display: none같이 화면에서 숨겨지는 속성도 렌더 트리에서 제외됩니다.
화면에 표시되는 각 노드에 대해 적절하게 일치하는 CSSOM 규칙을 찾아 적용합니다.
화면에 표시되는 노드를 콘텐츠 및 계산된 스타일과 함께 렌더 트리로 생성됩니다.

렌더 트리 배치(Layout or Reflow)

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렌더 트리가 생성되고 기기의 뷰포트 내에서 렌더 트리의 노드가 정확한 위치와 크기를 계산합니다. 이때 CSS에 상대적인 값인 %, rem, vh 등으로 할당된 값들은 절대적인 값인 px 단위로 변환됩니다. 이 과정을 배치(Layout) 또는 Reflow라고 합니다.

렌더 트리 그리기(Paint)

렌더 트리의 각 노드들을 화면에 실제 픽셀로 나타낼 때 Painting 메서드가 호출됩니다. Painting 과정 후 브라우저 화면에 UI가 나타나게 됩니다.

그리기 순서

실제로 요소가 stacking contexts에 쌓이는 순서는 아래와 같습니다. 스택은 뒤에서 앞으로 그려지기 때문에 이 순서는 Painting에 영향을 미칩니다. 블록 렌더러가 쌓이는 순서는 다음과 같습니다.

배경 색
배경 이미지
테두리
자식
아웃라인

Paint 단계에서 메인 스레드는 페인트 기록(Paint record)을 생성하기 위해 레이아웃 트리를 순회합니다. 페인트 기록은 ‘배경 > 텍스트 > 직사각형’과 같이 페인팅 과정을 기록한 것입니다.

동적 변경

브라우저는 변경에 대해 가능한 최소한의 동작으로 반응하려고 노력합니다. 예를 들어 div 요소 한 개의 색깔이 바뀌면 해당 요소의 리페인팅만 발생합니다.

요소의 위치가 바뀌면 요소와 자식 그리고 형제의 리페인팅과 재배치가 발생합니다. DOM 노드를 추가하면 노드의 리페인팅과 재배치가 발생합니다. HTML 요소의 글꼴 크기를 변경하는 것과 같은 큰 변경은 캐시를 무효화하고 트리 전체의 배치(Layout)와 리페인팅이 발생합니다.

Reflow와 Repaint

렌더링 과정을 모두 마친 후 최종적으로 브라우저에 페이지가 그려집니다. 하지만 특정 액션이나 이벤트에 따라 HTML 요소의 크기나 위치 등의 레이아웃 수치가 변하면 해당 요소의 영향을 받는 자식 노드나 부모 노드들을 포함하여 Layout(Reflow) 과정을 다시 수행하게 됩니다.

이럴 경우 각 요소들의 크기와 위치를 다시 계산하게 되는데 이 과정을 Reflow, 그리고 Reflow된 렌더 트리를 다시 화면에 그려주는 과정을 Repaint라고 합니다.

Reflow

Reflow가 일어나는 대표적인 경우는 다음과 같습니다.

DOM 노드의 추가, 제거
DOM 노드의 위치 변경
DOM 노드의 크기 변경(margin, padding, border, width 등)
CSS 애니메이션과 트랜지션
폰트 변경, 텍스트 내용 변경
이미지 크기 변경
offset, scrollTop, scrollLeft와 같은 계산된 스타일 정보 요청
페이지 초기 렌더링
윈도우 리사이징

이 외에도 화면의 구조가 변경되었다면 Reflow가 발생한다고 이해하면 됩니다.

Repaint

화면의 구조가 변경되었을 때에는 Reflow 과정을 거쳐 화면 구조를 다시 계산한 후 Repaint 과정을 통해 화면을 다시 그립니다. 즉 화면의 구조가 변경되었을 때에는 Reflow와 Repaint 모두 발생합니다.

화면의 구조가 변경되지 않는 화면 변화의 경우 Repaint만 발생합니다. 예를 들면 opacity, background-color, visibility, outline 등의 스타일 변경 시에는 Repaint만 동작합니다.

마치며

브라우저가 렌더링을 더 빠르고 효율적으로 할 수 있도록 개발하기 위해서는 Reflow 과정을 최소화시키는 것이 좋습니다. Reflow가 발생하면 Repaint가 일어나기 때문에 렌더링 최적화에 좋지 않은 영향을 주게 됩니다.

Reference

https://velog.io/@thyoondev/웹-브라우저의-동작원리를-알아보자

예상 질문

브라우저의 동작 원리를 간단하게 설명해주세요.
브라우저에서 도메인(www.naver.com)을 입력하면 무슨 일이 일어나나요?
DOM에 대해서 설명해주세요.