[딥다이브] - 38. 브라우저의 렌더링 과정

브라우저의 렌더링 과정은 다음과 같다.

브라우저는 HTML, css, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받음
브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성함
브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행함. 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있음. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합됨
렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅함

38.1. 요청과 응답

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버로부터 응답받아 브라우저에 시각적으로 렌더링하는 것이다.
주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고 해당하는 IP 주소를 갖는 서버에 요청을 전송한다.

루트 요청에는 명확히 리소스를 요청하는 내용이 없지만 일반적으로 서버는 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html을 응답하도록 기본 설정되어 있다. (https://www.google.co.kr은 https://www.google.co.kr/index.html과 같은 요청이다.)

브라우저의 렌더링 엔진은 HTML을 파싱하는 도중 <link>, <img>, <script> 등 외부 리소스를 로드하는 태그를 만나면 HTML의 파싱을 일시 중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청한다.

38.2. HTTP 1.1과 HTTP 2.0

HTTP/1.1
- 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리(다중 요청/응답 불가)
- 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간 증가하는 단점
HTTP/2.0
- 커넥션당 여러 개의 요청과 응답이 가능(다중 요청/응답 가능)
- HTTP/1.1에 비해 페이지 로드 속도가 약 50% 정도 빠름

38.3. HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저의 렌더링 엔진은 응답받은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM을 생성한다.

서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답됨. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답함
브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답받음. 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 지정된 인코딩 방식을 기준으로 문자열로 변환됨.
문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해함.
각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성함. 노드는 DOM을 구성하는 기본 요소가 되며, 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드 등이 생성됨.
HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 가짐. 이때 HTML 요소 간 중첩 관계에 의해 형성된 부자 관계를 반영해 모든 노드를 트리 자료구조로 구성함. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM이라 부름.

즉 DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.

38.4. CSS 파싱과 CSSOM 생성

렌더링 엔진은 HTML을 파싱하며 DOM을 생성하다 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단하고 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정을 거치며 해석해 CSSOM을 생성한다. 이후 CSS 파싱을 마치면 다시 HTML을 파싱해 DOM 생성을 재개한다.

38.5. 렌더 트리 생성

렌더링 엔진은 DOM과 CSSOM을 생성한 후 둘을 렌더 트리로 결합한다. 렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조로, 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드(meta, script)와 CSS에 의해 비표시(display: none)되는 노드는 포함하지 않는다.

완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃을 계산하는 데 사용되며 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.
브라우저의 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있는데, 아래와 같은 경우 반복해서 레이아웃 계산과 페인팅이 재차 실행된다.
리렌더링은 성능에 악영향을 주므로 빈번하게 발생하지 않도록 주의한다.

자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
HTML 요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는 width/height, margin, padding, border, display, position, top, right, bottom, left 등의 스타일 변경

38.6. 자바스크립트 파싱과 실행

DOM은 HTML 문서의 구조와 정보뿐 아니라 HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 DOM API를 제공한다. 이를 사용해 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있다.

CSS 파싱과 마찬가지로 렌더링 엔진이 HTML 파싱 중 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그 등을 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다. 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱해 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행하는 역할을 한다.

렌더링 엔진으로부터 제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하고 AST를 생성한다. 그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.

토크나이징
단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석해 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.

파싱
토큰들의 집합을 구문 분석해 AST를 생성한다. AST는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조다. AST를 사용해 트랜스파일러를 구현할 수도 있다.

바이트코드 생성과 실행
파싱의 결과물로서 생성된 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행된다.

38.7. 리플로우와 리페인트

DOM API가 사용된 경우 DOM이나 CSSOM이 변경되면 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 화면에 다시 렌더링하는데, 이를 리플로우, 리페인트라 한다.

리플로우는 레이아웃 계산을 다시 하는 것을, 리페인트는 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.

38.8. 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

렌더링 엔진과 자바스크립트 엔진은 직렬적으로 파싱을 수행하므로 script 태그 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹될 수 있다. 이를 방지하기 위해 body 요소의 가장 아래에 자바스크립트를 위치시켜 렌더링에 지장받는 일을 방지할 수 있다.

38.9. script 태그의 async/defer 어트리뷰트

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 있고, src 어트리뷰트가 없는 인라인 자바스크립트에는 사용할 수 없다.

async와 defer 어트리뷰트를 사용하면 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.

<script async src="extern.js"></script>
<script defer scr="extern.js"></script>

async 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.
자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며, HTML 파싱이 중단된다.
여러 개의 sciprt 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 순서와 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 실행되어 순서가 보장되지 않는다.

defer 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.
자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM 생성이 완료된 직후 진행된다.