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38장 브라우저 렌더링 과정 - 순요님
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38장 브라우저 렌더링 과정 - 순요님

 

브라우저 렌더링 과정 Overview

  1. 브라우저는 HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
  1. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.
  1. 브라우저 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행한다. 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있다. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더트리로 결합된다.
  1. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.
      2. notion image
 
파싱(Parsing) 파싱(구문 분석, Syntax analysis)은 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰(Token)으로 분해(어휘 분석, exical analysis)하고, 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료 구조인 파스 트리(Parse tee, Syntax tree)를 생성하는 일련의 과정을 말한다. 일반적으로 파싱이 완료된 이후에는 파스 트리를 기반으로 중간 언어(intermediate code)인 바이트코드(bytecode)를 생성하고 실행한다. 바이트 코드란, 가상 머신에서 실행하도록 만든 바이너리 코드를 의미
 
렌더링(rendering) 렌더링은 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것을 말한다.
 

요청과 응답

  • 서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공
  • 브라우저의 주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고, 이 IP주소를 갖는 서버에 요청을 전송
notion image
 

예시)

https://poiemaweb.com 을 입력하고 엔터키를 누른다고 가정
  1. 루트 요청(/, 스킴과 호스트만으로 구성된 URI에 의한 요청)이 poiemaweb.com 서버로 전송된다.루트 요청에는 명확한 리소스를 요청하는 내용이 없지만 일반적으로 서버는 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html을 응답하도록 기본 설정되어 있다.
  1. 즉 루트 요청은 다음 요청 URI와 같다.
      2. https://poiemaweb.com/index.htmld
 
만약 다른 정적 파일을 요청하려면,
https://poiemaweb.com/asstes/data/data.json 처럼 서버의 루트 폴더 기준으로 요청할 정적 파일의 경로와 파일 이르믈 URI의 호스트 뒤의 path에 기술하여 서버에 요청한다.
→ 서버는 asstes/data에 있는 data.json을 응답
 
notion image
index.html이 아닌 다른 css, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일들이 요청하지 않았음에도 리소스 응답이 된 이유
→ 브라우저 렌더링 엔진이 HTML(index.html)을 파싱하는 도중에 외부 리소스를 로드하는 태그, 즉 CSS 파일을 로드하는 link 태그, 이미지 파일을 로드하는 img 태그, 자바스크립트를 로드하는 script 태그 등을 만나면 HTML 파싱을 일시 중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청하기 때문
 
 

HTTP 1.1과 HTTP 2.0

 

HTTP 1.1

  • 기본적으로 커넥션(connection) 당 하나의 요청과 응답만 처리한다.
  • 여러 개의 요청을 한번에 전송할 수 없고, 응답도 마찬가지
  • 그러므로 HTML 문서 내에 포함된 여러 개의 리소스 요청(link, img, script 등) 태그에 의한 요청이 개별적으로 전송되고 응답도 개별적으로 전송된다.
  • 리소스의 동시 전송이 불가능한 구조이기 때문에 요청할 리소스 개수에 비레하여 응답 시간도 증가한다는 단점이 있음
 
notion image
 

HTTP 2.0

  • 커넥션 당 여러 개의 요청과 응답(다중 요청/응답)이 가능
  • HTTP1.1에 비해 페이지 로드 속도가 약 50% 빠르다고 알려짐
  • 더 자세한 내용은 HTTP 2/소개 문서 참고
notion image
 
 

HTML 파싱과 DOM 생성

 
다음의 index.html을 서버로부터 응답받았다고 가정
 
 
렌더링 과정 요약
notion image
  1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저 요청에 의해 응답된다.
      2. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답한다.
  1. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답받는다. 그리고 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 저장된 인코딩 방식(예: UTF-8)을 기준으로 문자열로 반환된다.
  1. 문자열로 반환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위 토큰(token)들로 분해한다.
  1. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드(node)들을 생성한다.
      2. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생성된다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.
  1. HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 갖는다.
      2. 즉 HTML 요소의 콘텐츠 영역(시작 태그와 종료 태그 사이)에는 텍스트 뿐만 아니라 다른 HTML 요소도 포함될 수 있으며, 이때 HTML요소 간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다.
      이러한 HTML 요소 간 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료 구조를 DOM(Document Object Model)이라 부른다.
→ DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물!
 
 

CSS 파싱과 CSSOM 생성

  • 렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한 줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성하다가 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단
    • CSS 파일을 로드하는 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드
    • 로드한 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 통일한 파싱 과정(바이트 → 문자 → 토큰 → 노드 → CSSOM) 과정을 거치며 해석하여 CSSOM(CSS Object Model)을 생성
    • CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개
  • 다음과 같은 CSS 파일이 서버로부터 응답되었다고 가정
  • 렌더링 엔진은 아래와 같이 CSSOM을 생성
notion image
  • CSSOM은 CSS의 상속을 반영하여 생성
  • 위 예제에서 body 요소에 적용한 font-size 프로퍼티와 ul 요소에 적용한 list-style-type 프로퍼티는 모든 li 요소에 상속된다.
 
 

렌더 트리 생성

  • 렌더링 엔진이 생성한 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리(render tree)로 결합된다.
  • 렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조이므로 브라우저 화면에 렌더링 되지 않는 노드(예: meta 태그, script 태그 등)와 CSS에 의해 비표시(예: display: none; 등)되는 노드들은 포함하지 않는다.
      • → 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 렌더 트리가 구성된다.
notion image
 
 
 
notion image
  • 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는 데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링 하는 페인팅(painting)처리에 입력된다.
  • 다음과 같은 경우 해서 레이아웃 계산과 페인팅이 재차 실행된다.
    • 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
    • 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트(viewport) 크기 변경
    • HTML 요소의 레이아웃(위치, 크기)에 변경을 발생시키는 width/height, margin, padding, border, display, position, top/right/bottom/left 스타일 변경
    • …
  • 레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 성능에 악영향을 주는 작업
 

자바스크립트 파싱과 실행

  • DOM은 HTML 문서의 구조와 정보뿐만 아니라 HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API를 제공
→ 자바스크립트 코드에서 DOM API를 통해 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작 가능
  • 렌더링 엔진은 DOM을 생성하다가 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단
    • 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그
    • 자바스크립트 코드를 콘텐츠로 담은 script 태그
  • script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 로드한 자바스크립트 파일 또는 script 태그 내의 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘김
  • 이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 파싱을 시작하여 DOM 생성을 재개
  • 자바스크립트 파싱과 실행은 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리
 

자바스크립트 엔진의 역할

  • 자바스크립트 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행
  • 구글 크롬과 Node js의 V8, 파이어폭스의 SpiderMonkey, 사파리의 JavascriptCore 등 다양한 종류가 있고, 모든 자바스크립트 엔진은 ECMAScript 사양을 준수
 

자바스크립트 엔진의 파싱 과정

  • 자바스크립트 코드를 해석하여 AST를 생성
  • AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행
notion image
  • 토크나이징(Tokenizing)
    • 단순한 문자열인 자바스크립트 소스 코드를 어휘 분석(Exical analysis)하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰(token)들로 분해한다.
        • 렉싱(lexing)이라고 부르기도 하지만 토크나이징과 미묘한 차이가 있음
  • 파싱(Parsing)
    • 토큰들의 집합을 구문분석하여 AST를 생성
    • AST는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조(반드시 인터프리터나 컴파일러만 사용하는 것은 아님)
    • AST를 통해 Typescript, Babel, Prettier 같은 트랜스파일러(Transpiler)를 구현 가능
    • AST Explorer 웹사이트에 방문하면 다양한 오픈소스 자바스크립트 파서를 사용하여 AST를 생성해볼 수 있음
  • 바이트코드 생성과 실행
    • 파싱의 결과물인 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행된다.
    • V8 엔진의 경우, 자주 사용되는 코드는 터보펜(TurboFan) 이라 불리는 컴파일러에 의해 최적화된 머신 코드(Optimized machine code)로 컴파일되어 성능을 최적화한다.
    • 만약 코드의 사용 빈도가 적어지면 다시 디옵티마이징하기도 한다.
 
 

리플로우와 리페인트

  • DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우, DOM이나 CSSOM은 변경되어 다시 렌더 트리로 결합된다.
  • 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저 화면에 다시 렌더링한다. → 이를 리플로우(reflow), 리페인트(repaint)라 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 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.
  • 만약 레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행된다.
notion image
 
 

자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

  • 브라우저는 동기적으로, 위에서 아래 방향으로 HTML, CSS, 자바스크립트를 파싱하고 실행
notion image
 
  • 이는 script 태그의 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹 되어 DOM 생성이 지연될 수 있음을 의미
  • DOM이 생성되기도 전에 script 태그에서 불러온 자바스크립트 코드가 DOM API를 사용할 경우, 문제가 발생할 수 있음
  • 이러한 문제를 회피하려면 body 요소의 가장 아래에 script를 위치시키는 것이 좋다.
    • 이유)
      • DOM이 완성되지 않은 상태에서 자바스크립트가 DOM을 조작하면 에러가 발생할 수 있다.
      • 자바스크립트 로딩/파싱/실행으로 인해 HTML 요소들의 렌더링에 지장받는 일이 발생하지 않아 페이지 로딩 시간이 단축된다.
  • 정상 동작 코드
 
 

script 태그의 async/defer 어트리뷰트

  • HTML5 부터 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다.
  • src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용 가능
  • async와 defer 모두 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행되지만 자바스크립트 실행 시점에 차이가 있다.
 

async 어트리뷰트

  • HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행되며, 자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 실행
  • 이때 HTML 파싱이 중단된다.
notion image
 

defer 어트리뷰트

  • async 어트리뷰트 처럼 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행됨
  • 단, 자바스크립트 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM 생성이 완료된 직후 진행된다.
    • DOM 생성이 완료되면 DOMContentLoaded 이벤트가 발생한다.
  • 따라서 DOM 생성이 완료된 이후 실행되어야 할 자바스크립트에 유용
  • defer 어트리뷰트는 IE10 이상에서 지원된다.
notion image
 
<!DOCTYPE html>
<html>
	<head>
		<meta charset="UTF-8">
		<link rel='stylesheet' href='style.css'>
	</head>
	<body>ㄷ
		<ul>
			<li id='apple'> Apple </li>
			<li id='banana'> Banana </li>
			<li id='orange'> Orange </li>
		</ul>
		<script src='app.js'></script>
	</body>
</html>
body{
	font-size: 18px;
}

ul{
	list-style-type: none;
}
<!DOCTYPE html>
<html>
	<head>
		<meta charset="UTF-8">
		<link rel='stylesheet' href='style.css'>
		<script>

		/*
			DOM이 생성되기 전이므로 apple이라는 id를 가진 HTML 요소를 취득하지 못함
		*/
		const $apple = document.getElementById('apple');
		

		$apple.style.color = 'red'; // 에러 발생, TypeError: Cannot read property 'style' of null
	
		</script>
	</head>
	<body>
		<ul>
			<li id='apple'> Apple </li>
			<li id='banana'> Banana </li>
			<li id='orange'> Orange </li>
		</ul>
	</body>
</html>
<!DOCTYPE html>
<html>
	<head>
		<meta charset="UTF-8">
		<link rel='stylesheet' href='style.css'>
	</head>
	<body>
		<ul>
			<li id='apple'> Apple </li>
			<li id='banana'> Banana </li>
			<li id='orange'> Orange </li>
		</ul>
		<script>
		const $apple = document.getElementById('apple');

		$apple.style.color = 'red'; 
		</script>
	</body>
</html>
<script async src='external.js'></script>
<script defer src='external.js'></script>