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렌더링 과정 - 브라우저는 어떻게 화면을 렌더링할까?

참고자료: 모던 자바스크립트 Deep Dive, 엘리 Dream Coding(https://www.youtube.com/watch?v=tJieVCgGzhs&t=907s)

프론트엔드 개발자 단골 면접 질문

브라우저 렌더링 원리에 대해서 설명해보세요.  

오늘의 목표

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

파싱(parsing): parse(분석하다) 

리소스란: resource(재료, 자산)

렌더링이란?: render(만들다) 

웹 브라우저란?: browse(둘러보다, 인터넷을 돌아다니다.)

프론트엔드 개발자와 떼려야 뗄 수 없는 것은 브라우저다. 그렇기에 이제부터 본격적으로 브라우저의 렌더링에 대해서 알아보겠다.

브라우저의 렌더링 수행 순서 요약

브라우저는 HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.

브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML, CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.

브라우저의 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 렌더 트리로 결합된다. 

바이트 코드

렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.

1. 요청과 응답

브라우저의 핵심 기능: 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버로부터 응답받아 브라우저에 시각적으로 렌더링하는 것이다.

서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공한다.

브라우저의 주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고 이 IP주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.

자세한 설명(ChatGPT)

참고: HTTP(HyperText Transfer Protocol)는 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜(규약)이다.

2. HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저의 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트다. 순수한 텍스트인 HTML 문서를 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야한다. 브라우저의 렌더링 엔진은 응답받은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM(Document Object Model)을 생성한다.

자세한 설명

즉, DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.

3. CSS파싱과 CSSOM 생성

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

그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 css파일을 서버에 요청하여 로드한 CSS 파일이나 style태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정(바이트 → 문자 → 토큰 → 노드 → CSSOM)을 거치며 해석하여 CSSOM을 생성한다. 이후 CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다.

4. 렌더 트리 생성

렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 각각 DOM과 CSSOM를 생성한다. 그리고 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.

렌더 트리: 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조다. 따라서 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드(ex.meta 태그, script 태그 등)와 CSS에 의해 비표시(ex. display: none)되는 노드들은 포함하지 않는다. 다시 말해, 렌더 트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.

지금까지 살펴본 브라우저의 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있다. 예를 들어, 다음과 같은 경우 반복해서 레이아웃 계산과 페인팅이 재차 실행된다.

•

자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제

•

브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경

•

HTML 요소의 레이아웃(위치, 크기)에 변경을 발생시키는 width/height, margin, padding, border, display, position, top/right/bottom/left 등의 스타일 변경

레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 비용이 많이 드는, 즉 성능에 악영향을 주는 작업이다.

따라서 가급적 리렌더링이 빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있다.

5. 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.

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.

렌더링 엔진이 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하듯이 자바스크립트 엔진은 자바스크립트를 해석하여 AST(Abstract Syntax Tree 추상적 구문 트리)를 생성한다. 그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.

바이트코드: 바이트코드는 기계가 이해하기 쉬운 형태로, AST의 추상적인 구문을 구체적인 연산 명령어로 변환한 것입니다. 바이트코드는 일반적으로 인터프리터나 JIT(Just-In-Time) 컴파일러를 통해 실행됩니다.

6. 리플로우와 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 리플로우, 리페인트라 한다.

리플로우: 레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며, 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하야 실행된다.

리페인트: 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.

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

7. 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

DOM을 변경하는 DOM API를 사용할 때 DOM 생성이 완료되지 않은 상태라면 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 회피하기 위해 body 요소의 가장 아래에 자바스크립트를 위치시키는 것은 좋은 아이디어다.

•

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. 

8. script 태그의 async/defer 어트리뷰트

<!DOCTYPE html>
<html lang="ko">
	<head>
		<meta charset="UTF-8" />
		<title>Document</title>
    <script src="main.js"><script>
  </head>
  <body></body>
</html>
JavaScript
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HTML을 쭉 파싱하다가 script 태그가 보이면 main.js를 다운받아야하네 하고 HTML 파싱을 잠시 멈춘다.

필요한 JavaScript 파일을 서버에서 다운받아서 이것을 실행한 다음에 다시 HTML 파싱하는 부분으로 넘어간다. // fetch: 가져오다. 

→ 단점: JavaScript 파일의 사이즈가 어마어마하게 크고, 인터넷이 엄청 느리면 사용자가 웹사이트를 보는데까지 많은 시간이 소요된다.

그래서 많이 쓰는 방식이 아래와 같다.

<!DOCTYPE html>
<html lang="ko">
	<head>
		<meta charset="UTF-8" />
    <title>Document</title>
  </head>
  <body>
		<div></div>
		<script src="main.js"></script>
	</body>
</html>
JavaScript
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브라우저가 HTML 다운받아서 쭉 파싱해서 페이지가 다 준비된다.

다음에 script 태그를 만나서 script를 서버에서 받아오고(fetch), 실행하게 된다.

→ 단점: 사용자가 기본적인 HTML 컨텐츠를 빠르게 볼 수 있지만, 웹사이트가 JavaScript에 매우 의존적이면 사용자가 의미있는 콘텐츠를 보기 위해서 자바스크립트를 이용해서 서버에 있는 데이터를 받아온다던지, DOM 요소를 더 이쁘게 꾸며주는 웹사이트라면 사용자가 정상적인 페이지를 보기 전까지는 오래기다려야한다.

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.

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

1) 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.

!DOCTYPE html>
<html lang="ko">
	<head>
		<meta charset="UTF-8" />페
    <title>Document</title>
    <script async src="main.js"><script>
  </head>
  <body>
		<div></div>
<p></p>
	</body>
</html>
JavaScript
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async는 불리언타입의 속성값이기 때문에 이렇게 선언하는 것만으로도 true로 설정이 되어서 async 옵션을 사용할 수 있다.

async를 사용하게 되면 브라우저가 HTML을 다운로드 받아서 파싱하다가 async가 있으면 병렬로 main.js를 다운로드받자고 명령한다.

 다시 파싱하다가 main.js가 다 다운로드되면 그때 파싱을 멈추고 다운로드된 js파일을 실행한다. 

실행 다하고 나서 나머지 HTML을 파싱하게 된다. 

→ 장점: body끝에 사용하는 것보다 fetching이 pasing하는 동안 병렬적으로 일어나기 때문에 다운로드 받는 시간을 절약할 수 있다.

→ 단점: 하지만 js가 HTML이 파싱되기도 전에 실행되어서 만약 js 파일에서 queryselector를 이용해서 DOM 요소를 조작한다고하면 이 조작하려는 시점에 HTML이 원하는 요소가 아직 정의되어 있지 않을 수 있다. 그리고 HTML 파싱하는 동안에 언제든지 js를 실행하기 위해서 멈출 수 있어서 사용자가 페이지를 보는데 시간이 여전히 걸릴 수 있다.

2) defer 어트리뷰트

: defer 어트리뷰트도 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일이 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. 단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM 생성이 완료된 직후(이때 DOMContentLoaded 이벤트가 발생한다) 진행된다. 따라서 DOM 생성이 완료된 이후 실행되어야 할 자바스크립트에 유용하다.

!DOCTYPE html>
<html lang="ko">
	<head>
		<meta charset="UTF-8" />
    <title>Document</title>
    <script defer src="main.js"><script>
  </head>
  <body>
		<div></div>
	</body>
</html>
JavaScript
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파싱을 하다가 script에 defer가 있으면 main.js를 다운로드 받자 명령만 시켜놓고, 나머지 HTML을 끝까지 파싱한다.

마지막에 파싱이 끝난 다음에 다운로드된 자바스크립트를 실행한다.

즉, HTML을 파싱하는 동안 필요한 js를 다 다운로드 받고, HTML 파싱을 먼저해서 사용자에게 페이지를 보여준 다음에 바로 이어서 js를 실행한다.

두 개의 차이점을 더 명확하게 파악해보자!

!DOCTYPE html>
<html lang="ko">
	<head>
		<meta charset="UTF-8" />
    <title>Document</title>
    <script async src="a.js"><script>
		<script async src="b.js"><script>
		<script async src="c.js"><script>
  </head>
JavaScript
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여러 개의 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. (순서에 의존적인거라면 문제가 될 수 있다.)

!DOCTYPE html>
<html lang="ko">
	<head>
		<meta charset="UTF-8" />
    <title>Document</title>
    <script defer src="a.js"><script>
		<script defer src="b.js"><script>
		<script defer src="c.js"><script>
  </head>
JavaScript
복사

파싱하는동안 필요한 js를 다 다운로브받고 순서대로 실행된다. 즉, 정의한 순서가 지켜진다. → 제일 효율적이고 안전하다