[Deep Dive] 38장 - 브라우저의 렌더링 과정

구글의 V8 JS 엔진으로 빌드된 JS 런타임 환경인 Node.js의 등장으로

JS는 웹 브라우저를 벗어나 서버 사이드 애플리케이션 개발에서도

사용할 수 있는 범용 개발 언어가 되었다.

 

브라우저 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 텍스트 문서를 어떻게 파싱(해석)하여 브라우저에 렌더링하는지 살펴보자

 

파싱

파싱(구문 분석)은 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여

실행하기 위해 텍스트 문자열을 토큰으로 분해하고

토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여

트리 구조의 자료구조인 파스트리를 생성하는 일련의 과정을 말한다.

일반적으로 파싱이 완료된 이후에는

파스 트리를 기반으로 중간 언어인 바이트코드를 생성하고 실행한다.

 

렌더링

렌더링은 HTML, CSS, JS로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것을 말한다.

 

브라우저는 다음과 같은 과정을 거쳐 렌더링을 수행한다.

1. 브라우저는 HTML, CSS, JS, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
2. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS을 파싱하여
   DOM과 CSSOM을 생성
   이들을 결합하여 렌더트리를 생성한다.
3. 브라우저의 JS엔진은 서버로부터 응답된 JS를 파싱하여 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성하고
   바이트 코드로 변환하여 실행한다.
4. 이때 JS는 DOM API를 통해 DOM과 CSSOM을 변경할 수 있다.
   변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
5. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)를 계산하고
   브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.

 

1. 요청과 응답

서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공한다.

주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고

이 IP 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.

 

브라우저의 주소창을 통해 서버에게 정적 파일만을 요청할 수 있는 것은 아니다.

JS를 통해 동적으로 서버에 정적/동적 데이터를 요청할 수도 있다.

 

요청도 하지 않은 리소스들이 응답한 이유는

브라우저의 렌더링 엔진이 HTML(index.html)을 파싱하는 도중 외부 리소스를 로드하는 태그,

CSS 파일을 로드하는 link 태그, 이미지 파일을 로드하는 img 태그,

JS를 로드하는 script 태그등을 만나면 HTML의 파싱을 일시 중단하고

해당 리소스 파일을 서버로 요청하기 때문이다.

 

2. HTTP 1.1과 HTTP 2.0

HTTP / 1.1은 기본적으로 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리한다.

여러 개의 요청을 한 번에 전송할 수 없고 응답 또한 마찬가지다.

따라서

HTML 문서 내에 포함된 여러 개의 리소스 요청,

CSS 파일을 로드하는 link 태그

이미지 파일을 로드하는 img 태그

JS를 로드하는 script 태그 등에 의한 리소스 요청이

개별적으로 전송되고 응답 또한 개별적으로 전송된다.

 

그러므로 요청할 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가하는 단점이 있다.

 

HTTP / 2는 다중 요청 응답이 가능하다.

여러 리소스의 동시 전송이 가능하므로 HTTP / 1.1에 비해 페이지 로드 속도가 약 50% 정도 빠르다고 알려져 있다.

 

3. HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는

문자열로 이루어진 순수한 텍스트다.

 

HTML 문서를 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링 하려면

HTMl 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야 한다.

 

브라우저의 렌더링 엔진은

응답받은 HTML 문서를 파싱하여

브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM을 생성한다.

DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.

 

4. CSS 파싱과 CSSOM 생성

link 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단하고

link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS파일을 서버에 요청한다.

CSSOM을 생성하고 CSS 파싱을 완료하면

HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다.

 

5. 렌더 트리 생성

렌더링 엔진은 서버로부터 응답된

HTML과 CSS을 파싱하여 각각 DOM과 CSSOM을 생성한다.

그리고 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.

 

렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조다.

브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드(예: meta 태그, script 태그 등)와

CSS에 의해 비표시(예: display: none)되는 노드들을 포함하지 않는다.

즉, 렌더트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.

 

이후 렌더트리는 각 HTML 요서의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는데 사용되며

브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.

 

브라우저 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있다.

다음과 같은 경우 반복해서 레이아웃 계산과 페인팅이 재차 실행된다.

• JS에 의한 노드 추가 또는 삭제
• 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
• HTML 요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는
  width/height, margin, padding, border, display, position....
  등의 스타일 변경

리렌더링은 성능에 악영향을 주는 작업이다.

가급적 리렌더링이 빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있다.

 

6. JS 파싱과 실행

JS에서 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있다.

 

JS파싱과 실행은 브라우저 렌더링 엔진이 아닌 JS 엔진이 처리한다.

JS엔진은 JS코드를 CPU가 이해할 수 있는 low-level 언어로 변환하고 실행하는 역할을 한다.

JS엔진은 구글 크롬과 Node.js의 V8 등이 있다.

 

렌더링 엔진으로부터 제어권을 넘겨받은 JS엔진은

JS코드를 파싱하기 시작한다.

JS엔진은 AST(추상적 구문 트리)를 생성하고

이를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.

 

토크나이징

단순한 문자열인 JS 소스코드를 어휘 분석하여

문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인

토큰들로 분해한다.

이 과정을 렉싱(lexing)이라고 부르기도 하지만 토크나이징과 미묘한 차이가 있다.

 

파싱

토큰들의 집합을 구문 분석하여 AST(추상적 구문 트리)를 생성한다.

AST는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조다.

AST는 인터프리터나 컴파일러만이 사용하는 것이 아니라

TypeScript, Babel, Prettier와 같은 트랜스파일러를 구현할 수도 있다.

 

바이트코드 생성과 실행

파싱의 결과물로서 생성된 AST는

인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인

바이트코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행된다.

 

7. 리플로우와 리페인트

JS코드에 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우

DOM이나 CSSOM이 변경된다.

 

이때 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더트리로 결합되고

변경된 렌더트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다.

이를 리플로우, 리페인트라 한다.

 

리플로우는

레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며

노드 추가/삭제

요소의 크기 / 위치 변경

윈도우 리사이징 등

레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.

 

리페인트는

재결합된 렌더트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.

 

리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니다.

레이아웃에 영향이 없는 변경은

리플로우 없이 리페인트만 실행된다.

 

8. JS 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

script 태그의 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹되어

DOM 생성이 지연될 수 있다는 것을 의미한다.

따라서 script 태그의 위치는 중요한 의미를 갖는다.

 

DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API를 사용할 경우

DOM이나 CSSOM이 이미 생성되어 있어야 한다.

 

만약 DOM을 변경하는 DOM API를 사용할 때

DOM의 생성이 완료되지 않은 상태라면

문제가 발생할 수 있다.

 

문제를 회피하기 위해

body 요소의 가장 아래에 JS를 위치시키는 것은 좋은 아이디어다.

그 이유는

• DOM이 완성되지 않은 상태에서 JS가 DOM을 조작하면
  에러가 발생할 수 있다.
• JS 로딩/파싱/실행으로 인해 HTML 요소들의 렌더링에
  지장받는 일이 발생하지 않아
  페이지 로딩 시간이 단축된다.

 

9. script 태그의 async / defer 어트리뷰트

JS 파싱에 의한 DOM 생성이 중단되는 문제를 근본적으로 해결하기 위해

HTML5부터 script 태그이 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다.

 

src 어트리뷰트를 통해 외부 JS 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다.

 

async와 defer 어트리뷰트를 사용하면

HTML 파싱과 외부 JS 파일의 로드가 비동기적으로 진행된다.

하지만 JS 실행 시점에 차이가 있다.

 

async 어트리뷰트

JS의 파싱과 실행은 JS 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며,

이때 HTML 파싱이 중단된다.

 

여러 개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면

script 태그의 순서와는 상관없이 로드가 완료된 JS부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않는다.

순서 보장이 필요한 script 태그에는 async 어트리뷰트를 지정하지 않아야 한다.

 

defer 어트리뷰트

JS 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후,

즉, DOM 생성이 완료된 직후 진행된다

 

따라서 DOM 생성이 완료된 이후 실행되어야할 JS에 유용하다.