브라우저의 렌더링 과정
- HTML, CSS, JS, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
- 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 결합해서 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.
- 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.
요청과 응답
브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스(HTML, CSS JS, 이미지, 폰트 등의 정적 파일 또는 서버가 동적으로 생성한 데이터)를 서버에 요청하고 응답 받아서 브라우저에 시각적으로 렌더링하는 것이다.
브라우저는 서버에 요청을 전송하기 위해 주소창을 제공하며 브라우저 주소창에 URL을 입력하면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고 해당 IP 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.
URI
Scheme(Protocol)://Host(Domain):Port/Path?Query(Query String)#Fragment
https://www.domain.com:80/docs/search?category=javascript&lang=ko#Intro
URL
https://www.domain.com:80/docs/search
URN
www.domain.com:80/docs/search?category=javascript&lang=ko#Intro
브라우저의 주소창에 https://www.domain.com를 입력하면 루트 요청(/, Scheme과 Host만으로 구성된 URI에 의한 요청)이 domain.com 서버로 전송된다. 루트 요청에 리소스를 요청하는 내용이 없지만 일반적으로 서버는 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html를 응답하도록 설정되어있다. 즉, https://www.domain.com은 https://www.domain.com/index.html과 같은 요청이다.
서버는 루트 요청에 대해 서버의 루트 폴더에 존재하는 정적 파일 index.html을 클라이언트(브라우저)에게 응답한다. 만약 다른 정적 파일을 서버에 요청하려면 https://www.domain.com/data/data.json과 같이 요청할 정적 파일의 경로와 파일 이름을 URI의 호스트 뒤의 Path에 기술해서 서버에 요청한다. 브라우저는 서버에 정적 파일뿐만 아니라 동적 데이터를 요청할 수 있다.
요청과 응답은 개발자 도구의 Network 패널에서 확인할 수 있다. Network 패널을 보면 URL을 통해 요청한 index.html 외에 CSS, JS, 이미지, 폰트 파일들도 응답되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 브라우저의 렌더링 엔진이 응답된 HTML(index.html)을 파싱하는 도중에 CSS 파일을 로드하는 link 태그나 이미지 파일을 로드하는 img 태그, JS를 로드하는 script 태그 등을 만나면 HTML의 파싱을 일시 중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청하기 때문이다.
HTTP 1.1과 HTTP 2.0
HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)는 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜(규약)이다.
1991년 최초 문서화
1996년 HTTP/1.0
1999년 HTTP1.1
2015년 HTTP/2
HTTP/1.1과 HTTP/2의 차이
HTTP 1.1은 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리한다. 여러개의 요청을 한번에 전송할 수 없고 응답 또한 마찬가지다. 따라서 HTML에 포함된 여러개의 리소스 요청이 개별적으로 전송되고 응답 또한 개별적으로 전송된다. 리소스의 동시 전송이 불가능한 구조이므로 요청할 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가하는 단점이 있다.
HTTP 2는 커넥션단 여러개의 요청과 응답(다중 요청/응답)이 가능하다. 여러 리소스의 동시 전송이 가능하므로 HTTP 1.1에 비해 페이지 로드 속도가 약 50%정도 빠르다.
HTML 파싱과 DOM 생성
브라우저 요청에 의해 서버가 응답한 HTML은 문자열로 이루어진 텍스트이다. 이러한 HTML이 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링 되려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야한다.
브라우저의 렌더링 엔진은 응답 받은 HTML를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM(Document Object Model)을 생성한다.
- 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답한다.
- 브라우저는 서버가 응답한 HTML을 바이트(2진수) 형태로 응답받는다. 응답된 바이트 형태의 HTML은 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식을 기준으로 문자열로 변환된다. meta 태그의 charset 어트리뷰트에 선언된 인코딩 방식은 content-type: text/html; charset=utf-8과 같이 응답 헤더에 담겨 응답된다. 브라우저는 이를 확인하고 문자열로 변환한다.
- 문자열로 변환된 HTML을 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.
- 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드(node)들을 생성한다. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생성된다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.
- HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 갖는다. 즉, HTML 요소의 콘텐츠 영역(시작 태그와 종료 태그 사이)에는 텍스트뿐만 아니라 다른 HTML 요소도 포함될 수 있다. 이때 HTML 간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다. 이러한 HTML 요소 간의 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM이라 부른다.
DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.
CSS 파싱과 CSSOM 생성
렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성해 나간다. 렌더링 엔진은 DOM을 생성해 나가다가 CSS를 로드하는 link나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.
그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드된 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정(바이트 → 문자 → 토큰 → 노드 → CSSOM)을 거치며 해석하여 CSSOM(CSS Object Model)을 생성한다. 이후 CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다. CSSOM은 CSS의 상속을 반영하여 생성된다. 예를들어 body의 font-size 속성은 모든 요소에 상속되는데 이러한 상속 관계가 반영되어 CSSOM이 생성된다.
렌더 트리 생성
렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 각각 DOM과 CSSOM을 생성한다. 그리고 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.
렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조다. 따라서 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드(meta, script 태그 등)와 CSS에 의해 표지되지 않는(display: none) 노드들은 포함하지 않는다. 즉, 렌더 트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.
이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.
HTML → DOM tree
→ Render tree → layout → Paint
CSS → CSSOM tree
브라우저의 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있다. 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 성능에 악영향을 주는 작업이므로 가급적 빈번하게 발생하지 않도록 해야한다.
자바스크립트 파싱과 실행
HTML을 파싱한 결과물인 DOM은 HTML 문서의 구조와 정보뿐만 아니라 HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API를 제공한다. 자바스크립트 코드에서 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있다.
CSS 파싱 과정과 마찬가지로 렌더링 엔진은 HTML을 한 줄씩 순차적으로 파싱하며 DOM을 생성해 나가다 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그나 자바스크립트 코드를 담은 scipt 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.
script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 로드한 자바스크립트 파일이나 script 태그 내의 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘긴다. 이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 다시 렌더링 엔진으로 제어권을 넘겨 HTML 파싱이 중단된 지점부터 파싱을 시작해 DOM 생성을 재개한다.
자바스크립트 파싱과 실행은 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다. 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행한다.
렌더링 엔진으로부터 제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱해서 AST(Abstract Syntax Tree, 추상적 구문 트리)를 생성한다. 그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.
자바스크립트 코드 → 토크나이저(토크나이징) → 토큰 → 파서(파싱) → AST → 바이트코드 생성기(바이트코드 생성) → 바이트 코드 → 인터프리터
리플로우와 리페인트
자바스크립트 코드에 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우 DOM이나 CSSOM이 변경되는데, 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐서 렌더링된다. 이를 리플로우와 리페인트라한다.
리플로우는 레이아웃을 다시 계산하는 것을 말하며, 노드 추가 및 삭제, 요소의 크기 및 위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.
리페인트는 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트 하는 것을 말한다.
리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니다. 레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행된다.
자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단
렌더링 엔진과 자바스크립트 엔진은 병렬적으로 파싱을 실행하지 않고 직렬적으로 파싱을 수행한다.
브라우저는 동기적으로, 위에서 아래로 순차적으로 HTML, CSS, 자바스크립트를 파싱하고 실행하기 때문에 script 태그의 위치는 중요한 의미를 갖는다.
만약 자바스크립트 파일이 html의 header에 담겨있는 상태에서 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API를 사용할 경우 DOM이나 CSSOM이 이미 생성되 있어야하는데 그렇지 않은 상태라면 문제가 발생한다.
이러한 문제를 피하기 위해 body 요소의 가장 아래에 자바스크립트를 위치시킬 수 있다. 이렇게 되면 자바스크립트가 실행될 시점에는 이미 렌더링 엔진이 DOM 생성을 완료한 이후기 때문에 자바스크립트가 DOM을 조작해도 문제가 발생하지 않으며, 페이지 로딩 시간이 단축되는 이점도 있다.
script 태그의 async/defer 어트리뷰트
HTML5부터 script 태그의 파싱에 의한 DOM 생성 중단 문제를 해결하기 위해 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다. async와 defer 어트리뷰트를 사용하면 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행되지만 자바스크립트 실행 시점에는 차이가 있다.
<script src="" async></script>
<script src="" defer></script>
async 어트리뷰트
HTML 파싱과 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행되지만 자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며, 이때 HTML 파싱이 중단된다.
여러개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 script 태그의 순서와는 상관 없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않는다.
defer 어트리뷰트
HTML 파싱과 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행되며, 자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM 생성이 완료된 직후에 진행된다. 따라서 DOM 생성이 완료된 이후에 실행되어야 할 자바스크립트에 유용하다.
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