실행 컨텍스트

오늘 배운 것

실행 컨텍스트

실행 컨텍스트(execution context)는 자바스크립트의 동작 원리를 담고 있는 핵심 개념이다.

소스코드의 타입

4가지 타입의 소스코드는 실행 컨텍스트를 생성한다.

소스코드(실행 가능한 코드, executable code)를 4가지 타입으로 구분하는 이유는 소스코드의 타입에 따라 실행 컨텍스트를 생성하는 과정과 관리 내용이 다르기 때문이다.

• 전역 코드
  전역에 존재하는 소스코드를 말한다. 전역에 정의된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함되지 않는다.
  전역 코드는 전역 변수를 관리하기 위해 최상위 스코프인 전역 스코프를 생성해야 한다. 그리고 var 키워드로 선언된 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수를 전역 객체의 프로퍼티와 메서드로 바인딩하고 참조하기 위해 전역 객체와 연결되어야 한다. 이를 위해 전역 코드가 평가되면 전역 실행 컨텍스트가 생성된다.

• 함수 코드
  함수 내부에 존재하는 소스코드를 말한다. 함수 내부에 중첩된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함되지 않는다.
  함수 코드는 지역 스코프를 생성하고 지역 변수, 매개변수, arguments 객체를 관리해야 한다. 그리고 생성한 지역 스코프를 전역 스코프에서 시작하는 스코프 체인의 일원으로 연결해야 한다. 이를 위해 함수 코드가 평가되면 함수 실행 컨텍스트가 생성된다.

• eval 코드
  빌트인 전역 함수인 eval 함수에 인수로 전달되어 실행되는 소스코드를 말한다.
  eval 코드는 strict mode(엄격 모드)에서 자신만의 독자적인 스코프를 생성한다. 이를 위해 eval 코드가 평가되면 eval 실행 컨텍스트가 생성된다.

• 모듈 코드
  모듈 내부에 존재하는 소스코드를 말한다. 모듈 내부의 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함되지 않는다.
  모듈 코드는 모듈별로 독립적인 모듈 스코프를 생성한다. 이를 위해 모듈 코드가 평가되면 모듈 실행 컨텍스트가 생성된다.

실행 컨텍스트(execution context)는 소스코드를 실행하는 데 필요한 환경을 제공하고 코드의 실행 결과를 실제로 관리하는 영역이다.

좀 더 구체적으로 말해, 실행 컨텍스트는 식별자(변수, 함수, 클래스 등의 이름)를 등록하고 관리하는 스코프와 코드 실행 순서 관리를 구현한 내부 매커니즘으로, 모든 코드는 실행 컨텍스트를 통해 실행되고 관리된다.

식별자와 스코프는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경으로 관리하고 코드 실행 순서는 실행 컨텍스트 스택으로 관리한다.

실행 컨텍스트 스택

자바스크립트 엔진은 먼저 전역 코드를 평가하여 전역 실행 컨텍스트를 생성한다. 그리고 함수가 호출되면 함수 코드를 평가하여 함수 실행 컨텍스트를 생성한다.
이때 생성된 실행 컨텍스트는 스택 자료구조로 관리된다. 이를 실행 컨텍스트 스택(execution context stack)이라고 부른다.

const x = 1;

function foo() {
  const y = 2;

  function bar() {
    const z = 3;
    console.log(x + y + z);
  }
  bar();
}

foo(); // 6

코드를 실행하면 코드가 실행되는 시간의 흐름에 따라 실행 컨텍스트 스택에는 다음과 같이 실행 컨텍스트가 추가(push)되고 제거(pop)된다.

실행 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 컨텍스트다. 따라서 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 존재하는 실행 컨텍스트를 실행 중인 실행 컨텍스트(running execution context)라 부른다.

렉시컬 환경

렉시컬 환경(Lexical Environment)은 식별자와 식별자에 바인딩된 값, 그리고 상위 스코프에 대한 참조를 기록하는 자료구조로 실행 컨텍스트를 구성하는 컴포넌트이다. 실행 컨텍스트 스택이 코드의 실행 순서를 관리한다면 렉시컬 환경은 스코프와 식별자를 관리한다.

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.

실행 컨텍스트는 LexicalEnvironment 컴포넌트와 VariableEnvironment 컴포넌트로 구성된다. 생성 초기에 LexicalEnvironment 컴포넌트와 VariableEnvironment 컴포넌트는 하나의 동일한 렉시컬 환경을 참조한다. 이후 몇 가지 상황을 만나면 VariableEnvironment 컴포넌트를 위한 새로운 렉시컬 환경을 생성하고, 이때부터 VariableEnvironment 컴포넌트와 LexicalEnvironment 컴포넌트는 내용이 달라지는 경우도 있다.

렉시컬 환경은 다음과 같이 두 개의 컴포넌트로 구성된다.

• 환경 레코드(Environment Record)
  스코프에 포함된 식별자를 등록하고 등록된 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 저장소다. 환경 레코드는 소스코드의 타입에 따라 관리하는 내용에 차이가 있다.
• 외부 렉시컬 환경에 대한 참조(Outer Lexical Environment Reference)
  외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 상위 스코프를 가리킨다. 이때 상위 스코프란 외부 렉시컬 환경, 즉 해당 실행 컨텍스트를 생성한 소스코드를 포함하는 상위 코드의 렉시컬 환경을 말한다. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 단방향 링크드 리스트인 스코프 체인을 구현한다.

실행 컨텍스트의 생성과 식별자 검색 과정

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(클라이언트 사이드 또는 서버 사이드)에 따라 클라이언트 사이드 Web API 또는 특정 환경을 위한 호스트 객체를 포함한다.
전역 객체도 Object.prototype을 상속받는다. 즉, 전역 객체도 프로토타입 체인의 일원이다.

전역 코드 평가

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 생성하여 실행 컨텍스트 스택에 푸시되며 실행 중인 실행 컨텍스트(running execution context)가 된다.

2. 전역 렉시컬 환경 생성
   전역 렉시컬 환경(Global Lexical Environment)을 생성하고 전역 실행 컨텍스트의 LexicalEnvironment 컴포넌트와 VariableEnvironment 컴포넌트에 바인딩한다.
   렉시컬 환경은 2개의 컴포넌트인 환경 레코드(Environment Record)와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조(OuterLexicalEnvironmentReference)로 구성된다.

   2.1. 전역 환경 레코드 생성
   전역 변수를 관리하는 전역 스코프, 전역 객체의 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체를 제공한다.

   이전에는 전역 객체가 전역 변수를 프로퍼티로 갖으며 전역 환경 레코드의 역할을 수행했다. 하지만 let, const 키워드의 등장으로 선언한 전역 변수는 전역 객체의 프로퍼티가 되지 않고 개념적인 블록 내에 존재하게 된다.

   기존의 var 키워드로 선언한 전역 변수와 ES6의 let, const 키워드로 선언한 전역 변수를 구분하여 관리하기 위해 전역 스코프 역할을 하는 전역 환경 레코드는 객체 환경 레코드(Object Environment Record)와 선언적 환경 레코드(Declarative Environment Record)로 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 레코드가 협력하여 전역 스코프와 전역 객체를 관리한다.

   2.1.1. 객체 환경 레코드 생성
   전역 객체 생성 때 BindingObject 객체가 생성됐었으며 객체 환경 레코드와 연결된다.

   전역 코드 평가 과정에서 var 키워드로 선언한 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수는 객체 환경 레코드에 연결된 BindingObject를 통해 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 된다. 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.
   
   특히 var 키워드로 선언한 변수의 경우 선언과 초기화 단계가 동시에 진행되기 때문에 전역 코드 평가 시점에 객체 환경 레코드에 바인딩된 BindingObject를 통해 전역 객체 프로퍼티로 등록 후 초기화하기 때문에 변수 선언문 이전에도 참조할 수 있다.
   
   이것이 변수 호이스팅 발생 원인이다. 함수 표현식도 이와 동일하게 동작하며 함수 호이스팅 발생하지만 함수 호이스팅의 경우 전역 객체에 등록되며 생성된 함수 객체를 즉시 할당하기 때문에 함수 선언문으로 정의한 함수는 함수 선언문 이전에 호출할 수 있다.

   2.1.2. 선언적 환경 레코드 생성
   let, const 키워드로 선언한 전역 변수(let, const 키워드로 선언한 변수에 할당한 함수 표현식 포함)는 선언적 환경 레코드에 등록되고 관리된다.

   let, const 키워드로 선언한 전역 변수는 전역 객체의 프로퍼티가 되지 않고 개념적인 블록 내에 존재하며 이 블록이 전역 환경 레코드의 선언적 환경 레코드다.
   
   let, const 키워드로 선언한 변수는 전역 객체의 프로퍼티가 되지 않기 때문에 window.y와 같이 전역 객체의 프로퍼티로서 참조할 수 없다. 또한 let, const 키워드로 선언한 변수는 “선언 단계”와 “초기화 단계”가 분리되어 진행한다. 따라서 초기화 단계, 즉 런타임에 실행 흐름이 변수 선언문에 도달하기 전까지 일시적 사각지대(Temporal Dead Zone; TDZ)에 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
   일반적으로 전역 코드에서 this는 전역 객체를 가리키므로 전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에는 전역 객체가 바인딩되며 전역 코드에서 this 참조 시 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에 바인딩된 객체가 반환된다.

   전역 환경 레코드를 구성하는 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드에는 this 바인딩이 없으며 전역 환경 레코드와 함수 환경 레코드에만 존재한다.

   2.3. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정
   외부 렉시컬 환경에 대한 참조(Outer Lexical Environment Reference)는 현재 평가 중인 소스코드를 포함하는 외부 소스코드의 렉시컬 환경, 즉 상위 스코프를 가리킨다. 이를 통해 단방향 링크드 리스트인 스코프 체인을 구현한다. 하지만 전역 렉시컬 환경이 스코프 체인의 종점이며 현재 평가 중인 전역 코드를 포함하는 소스코드는 없으므로 null이 할당된다.

전역 코드 실행

전역 코드가 순차적으로 실행되기 시작한다. 변수 할당문 또는 함수 호출문을 실행하려면 먼저 변수 또는 함수 이름이 선언된 식별자인지 확인해야 한다. 또한 동일한 이름의 식별자가 다른 스코프에 여러 개 존재할 수도 있기 떄문에 어느 스코프의 식별자를 참조하면 되는지 결정하는 식별자 결정(identifier resolution)이 필요하다.
식별자 결정을 위해 식별자를 검색할 때는 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 렉시컬 환경, 즉 상위 스코프로 이동하여 식별자를 검색한다. 이것이 바로 스코프 체인의 동작 원리다. 하지만 전역 렉시컬 환경은 스코프 체인의 종점이므로 전역 렉시컬 환경에서 검색할 수 없는 식별자는 실별자 결정에 실패하여 참조 에러(ReferenceError)를 발생시킨다.

함수 코드 평가

함수가 호출되면 전역 코드의 실행을 일시 중단하고 해당 함수 내부로 코드의 제어권이 이동한다. 그리고 함수 코드를 평가하기 시작한다.

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

1. 함수 실행 컨텍스트 생성
   함수 실행 컨텍스트를 생성한다. 생성된 함수 실행 컨텍스트는 함수 렉시컬 환경이 완성된 다음 실행 컨텍스트 스택에 푸시된다. 이때 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택의 최상위로서 실행 중인 실행 컨텍스트(running execution context)가 된다.

2. 함수 렉시컬 환경 생성
   함수 렉시컬 환경(Function Lexical Environment)을 생성하고 해당 함수 실행 컨텍스트에 바인딩한다.
   렉시컬 환경은 2개의 컴포넌트, 즉 환경 레코드와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조로 구성된다.

3. 함수 환경 레코드 생성
   함수 렉시컬 환경을 구성하는 컴포넌트 중 하나인 함수 환경 레코드(Function Environment Record)는 매개변수, arguments 객체, 함수 내부에서 선언한 지역 변수와 중첩 함수를 등록하고 관리한다.

4. this 바인딩
   함수 환경 레코드의 [[ThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩된다. [[ThisValue]] 내부 슬롯에 바인딩될 객체는 함수 호출 방식에 따라 결정된다.
   예를 들어 일반 함수로 호출되었다면 this는 전역 객체를 가리키며 함수 환경 레코드의 [[ThisValue]] 내부 슬롯에는 전역 객체가 바인딩된다.

5. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정
   외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 해당 함수 정의가 평가된 시점에 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 할당된다.
   예를 들어 해당 함수가 전역 코드에 의해 정의된 전역 함수라면 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.

렉시컬 스코프는 함수 호출 위치가 아닌 함수 정의 위치가 상위 스코프를 결정한다. JS 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 저장하며 `[[Environment]]`가 바로 렉시컬 스코프를 구현하는 메커니즘이다.

함수 코드 실행

함수 런타임에는 소스코드가 순차적으로 실행되며 매개변수에 인수가 할당되고, 변수 할당문, 내부 함수 호출 등이 실행된다.
이때 전역 코드 실행과 마찬가지로 식별자 결정을 위해 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자를 검색하기 시작한다. 만약 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자를 검색할 수 없으면 외부 렉시컬 환경에 대한 참조가 가리키는 렉시컬 환경으로 이동하여 식별자를 검색한다.

만약 함수 몸체 내부에 console.log(a + b + x + y + z);와 같은 코드가 있다면 다음 순서로 실행된다.

1. console 식별자 검색
   console 식별자를 스코프 체인에서 검색한다.
   스코프 체인은 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 시작하여 외부 렉시컬 환경에 대한 참조로 이어지는 렉시컬 환경의 연속이다.
   해당 함수 실행 컨텍스트의 해당 함수 렉시컬 환경에서 console 식별자를 검색하지만 찾지 못하고 외부 렉시컬 환경에 대한 참조가 가리키는 전역 렉시컬 환경(Global Lexical Environment)으로 이동하여 console 식별자를 검색한다.
   전역 렉시컬 환경은 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드로 구성되어 있다. console 식별자는 객체 환경 레코드의 BindingObject를 통해 전역 객체에서 찾을 수 있다.

2. log 메서드 검색
   이제 console 식별자에 바인딩된 객체, 즉 console 객체에서 log 메서드를 검색한다. 이때 console 객체의 프로토타입 체인을 통해 메서드를 검색한다. log 메서드는 상속된 프로퍼티가 아니라 console 객체가 직접 소유하는 프로퍼티이다.

3. 표현식 a + b + x + y + z의 평가
   표현식 a + b + x + y + z를 평가하기 위해 a, b, x, y, z 식별자를 검색한다. 식별자는 스코프 체인, 즉 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 시작하여 외부 렉시컬 환경에 대한 참조로 이어지는 렉시컬 환경의 연속에서 검색한다.

4. console.log 메서드 호출
   표현식 a + b + x + y + z가 평가되어 생성한 값을 console.log 메서드에 전달하여 호출한다.

함수 코드 실행 종료

더 실행할 코드가 없으면 함수 코드의 실행이 종료된다. 이때 실행 컨텍스트 스택에서 해당 함수 실행 컨텍스트가 팝되어 제거되고, 실행 컨텍스트 스택에서 다음 최상위 실행 컨텍스트가 실행 중인 컨텍스트가 된다.

실행 컨텍스트 스택에서 함수 실행 컨텍스트가 제거되었다고 해서 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.
함수 실행 컨텍스트가 소멸되었다 하더라도 만약 함수 렉시컬 환경을 누군가 참조하고 있다면 함수 렉시컬 환경은 소멸하지 않는다.

전역 코드 실행 종료

더는 실행할 전역 코드가 없다면 전역 코드의 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트도 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 실행 컨텍스트 스택에는 아무것도 남아있지 않게 된다.

실행 컨텍스트와 블록 레벨 스코프

var 키워드로 선언한 변수는 오로지 함수의 코드 블록 만을 지역 스코프로 인정하는 함수 레벨 스코프를 따른다. 하지만 let, const 키워드로 선언한 변수는 모든 코드 블록(함수, if 문, for 문, while 문, try/catch 문 등)을 지역 스코프로 인정하는 블록 레벨 스코프(block-level scope)를 따른다.

let x = 1;

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

console.log(x); // 1

if 문의 코드 블록 내에서 let 키워드로 변수가 선언되었다. 따라서 if 문의 코드 블록이 실행되면 if 문의 코드 블록을 위한 블록 레벨 스코프를 생성해야 한다. 이를 위해 선언적 환경 레코드를 갖는 렉시컬 환경을 새롭게 생성하여 기존의 전역 렉시컬 환경을 교체한다. 이때 새롭게 생성된 if 문의 코드 블록을 위한 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 if 문이 실행되기 이전의 렉시컬 환경(전역 렉시컬 환경)을 가리킨다.

if 문 코드 블록의 실행이 종료되면 if 문의 코드 블록이 실행되기 이전의 렉시컬 환경으로 되돌린다. 이는 if 문뿐 아니라 블록 레밸 스코프를 생성하는 모든 블록문에 적용된다.

for 문의 변수 선언문에 let 키워드를 사용한 for 문은 코드 블록이 반복해서 실행될 때마다 코드 블록을 위한 새로운 렉시컬 환경을 생성한다. 만약 for 문의 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(for 문의 변수 선언문 및 for 문의 코드 블록 내에서 선언된 지역 변수 등)의 값을 유지해야 한다. 이를 위해 for 문의 코드 블록이 반복해서 실행될 때마다 독립적인 렉시컬 환경을 생성하여 식별자의 값을 유지한다.

참고 도서: 모던 자바스크립트 Deep Dive

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