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IT/자바스크립트

[모던 자바스크립트 Deep Dive] 24장 클로저

by vulter3653 2023. 5. 7.

<모던 자바스크립트 Deep Dive>의 24장 내용을 요약 및 정리한 내용입니다.

 

http://www.yes24.com/Product/Goods/92742567

 

모던 자바스크립트 Deep Dive - YES24

『모던 자바스크립트 Deep Dive』에서는 자바스크립트를 둘러싼 기본 개념을 정확하고 구체적으로 설명하고, 자바스크립트 코드의 동작 원리를 집요하게 파헤친다. 따라서 여러분이 작성한 코드

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0. 클로저란?

함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어에서 사용되는 중요한 특성이며, 자바스크립트만의 고유의 개념이 아니다.

 

MDN의 정의는 아래와 같다.

"A Closure is the combination of a function ant the lexical environment within which that function was declared."

클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.

const x = 1 ;

function outerFunc() {
  const x = 10;
  
  function innerFunc(){
    console.log(x); //10
  }
   
  innerFunc();
}

outerFunc();
const x = 1 ;

function outerFunc() {
  const x = 10;
  innerFunc();
}

function innerFunc(){
  console.log(x); //1
}

outerFunc();

첫 번째의 innerFunc()의 경우에는 outerFunc()가 상위 스코프에 위치하기에 outerFunc 함수의 변수를 참조하여 10이 출력되었으나, 두 번째의 innerFunc()의 경우에는 함수 내부에 존재하는 중첩 함수의 형태가 아니기에 outerFunc 함수의 변수에 접근하지 못해 1이 출력되었다.

 

따라 자바스크립트가 렉시컬 스코프를 따른다는 것을 위의 코드를 통해 알 수 있다.

1. 렉시컬 스코프

자바 스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의했는지에 따라서 상위 스코프를 결정하며, 이를 렉시컬 스코프(정적 스코프)라고 한다.

 

스코프의 실체는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다. 이 렉시컬 환경은 자신의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결된다. 이것이 바로 스코프 체인이다.

 

따라서 "함수의 상위 스코프를 결정한다."는 것은 "렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장할 참조값을 결정한다."는 것과 같다. 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값이 바로 상위 렉시컬 환경에 대한 참조이며, 이것이 상위 스코프 이기 때문이다. 이 개념을 반영해서 다시 한번 렉시컬 스코프를 정의해 보면 다음과 같다.

 

렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경(위치)에 의해 결정된다. 이것이 바로 렉시컬 스코프다.

2. 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

함수가 정의된 환경(위치)과 호출되는 환경(위치)은 다를 수 있다. 따라서 렉시컬 스코프가 가능하려면 함수는 자신이 호출되는 환경과는 상관없이 자신이 정의된 환경, 즉 상위스코프를 기억해야한다. 이를 위해 함수는 자신의 내부 슬롯[[Environment]]에 자신이 정의되는 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장한다.

 

다시 말해, 함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성할 때 자신이 정의된 환경(위치)에 의해 결정된 상위 스코프의 참조를 함수 객체 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장한다. 이때 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 상위 스코프의 참조는 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 가리킨다.

 

예를 들어, 전역에서 정의된 함수 선언문은 전역 코드가 평가되는 시점에 평가되어 함수 객체를 생성한다. 이때 생성된 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에는 함수 정의가 평가되는 시점, 즉 전역 코드 평가 시점에 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경인 전역 렉시컬 환경의 참조가 저장된다.

 

함수 내부에서 정의된 함수 표현식은 외부 함수 코드가 실행되는 시점에 평가되어 함수 객체를 생성한다. 이때 생성된 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에는 함수 정의가 평가되는 시점, 즉 외부 함수 코드 실행 시점에 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경인 외부 함수 렉시컬 환경의 참조가 저장된다.

 

따라서 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프다. 또한 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장될 참조값이다. 함수 객체는 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장한 렉시컬 환경의 참조, 즉 상위 스코프를 자신이 존재하는 한 기억한다.

3. 클로저와 렉시컬 환경

const x = 1;

// ⓐ
function outer() {
  const x = 10;
  const inner = function () {console.log(x);}; // ⓑ
  return inner;
}

// outer 함수를 호출하면 중첩 함수 inner를 반환한다.
// 그리고 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거된다.
const innerFunc = outer(); // ⓒ
innerFunc(); // ⓓ 10

위를 실행 시키면 다음과 같은 단계를 거치게 된다.

ⓐ outer 함수가 평가 되어 함수 객체를 생성할 때, 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 상위 스코프로서 저장한다.

outer 함수를 호출하면 outer 함수의 렉시컬 환경이 생성되고 앞서 outer 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장된 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조" 에 할당한다.
ⓑ 중첩 함수 inner가 평가된다. 이때 중첩 함수 inner는 자신의 [[Environment]] 내부 슬롯에 현재 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉  outer 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 저장한다.

ⓒ outer 함수의 실행이 종료하면 inner 함수를 반환하면서 outer 함수의 생명주기가 종료된다. 즉 outer 함수의 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에서 제거된다.

이때 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거되지만 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸하는 것은 아니다. 

 

outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[Environment]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있고 inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않기 때문이다. 가비지 컬렉터는 누군가가 참조하고 있는 메모리 공간을 함부로 해제하지 않는다.

 

ⓓ  outer 함수가 반환한 inner 함수를 호출하면 inner 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고 실행 컨텍스트 스택에 푸시된다. 그리고 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 inner 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장되어 있는 참조 값이 할당된다.

 

이처럼 외부 함수의 생존 여부와 상관 없이 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억하여 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지 되는 이러한 중첩 함수를 클로저라고 부른다. 이때 클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수를 자유 변수라고 부른다.

4. 클로저의 활용

클로저는 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다. 다시 말해, 상태가 의도치 않게 변경되지 않도록 상태를 안전하게 은닉하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다.

 

함수가 호출될 때마다 호출된 횟수를 누적하여 출력하는 카운터를 만들어보자. 이 때 호출된 횟수(num 변수)가 바로 안전하게 변경하고 유지해야 할 상태다.

 

// 카운트 상태 변수
let num = 0;

// 카운트 상태 변경 함수
const increase = function () {
  // 카운트 상태를 1 만큼 증가 시킨다.
  return ++num;
};

console.log(increase()); //1
console.log(increase()); //2


위의 코드처럼 만들수 있다. 하지만 위의 코드는 잘 동작하지만 오류를 발생시킬 가능성을 내포하고 있는 좋지 않은 코드다. 왜냐하면 다음과 같은 전제 조건이 지켜져야 하기 때문이다.

 

1. 카운트 상태 (num 변수의 값)는 increase 함수가 호출되기 전까지 변경되지 않고 유지되어야 한다.

2. 이를 위해 카운트 상태 (num 변수의 값)는 increase 함수만이 변경할 수 있어야 한다.

 

하지만 카운트 상태는 전역 변수를 통해 관리되고 있기 때문에 언제든지 누구자 접근할 수 있고 변경할 수 있다. 이는 의도치 않게 상태가 변경될 수 있다는 것을 의미한다. 만약 누군가에 의해 의도치 않게 카운트 상태, 즉 전역 변수 num의 값이 변경되면 이는 오류로 이어진다.

 

이때 클로저를 사용하여 위의 문제를 관리할 수 있다. 클로저를 사용한 코드는 아래와 같다.

 

// 카운트 상태 변경 함수
const increase = (function () {
  // 카운트 상태 변수
  let num = 0;
  // 클로저
  return function () {
    // 카운트 상태를 1만큼 증가시킨다.
    return ++num;
    };
 }());
 
 console.log(increase()); //1
 console.log(increase()); //2

 

이처럼 클로저는 상태가 의도치 않게 변경되지 않도록 안전하게 은닉하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하여 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다.

 

이를 더 발전시켜 자유 변수인 num 을 공유하고 증가와 감소를 함께 작동시키는 코드의 예는 아래와 같다.

 

// 함수를 반환하는 고차 함수
// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
const counter = (function(){
  //카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수
  let counter = 0;
  
  //함수를 인수로 전달받는 클로저를 반환
  return function (aux) {
    //인수로 전달받은 보조 함수에 상태 변경을 위임한다.
    counter = aux(counter);
    return counter;
  }
}());

//보조함수
function increase(n) {
  return ++n;
}

//보조함수
function decrease(n){
  return --n;
}

//보조 함수를 전달하여 호출
console.log(counter(increase)); //1
console.log(counter(increase)); //2

//자유 변수를 공유한다.
console.log(counter(decrease)); // 1
console.log(counter(decrease)); // 0

5. 캡슐화와 정보 은닉

캡슐화는 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 메서드를  하나로 묶는 것을 말한다. 캡슐화는 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 사용하기도 하는데 이를 정보 은닉이라 한다.

 

정보 은닉은 외부에 공개할 필요가 없는 구현의 일부를 외부에 공개되지 않도록 감추어 적절치 못한 접근으로부터 객체의 상태가 변경되는 것을 방지해 정보를 보호하고, 객체 간의 상호 의존성, 즉 결합도를 낮추는 효과가 있다.

 

대부분의 객체지향 프로그래밍 언어는 클래스를 정의하고 그 클래스를 구성하는 멤버(프로퍼티와 메서드)에 대하여 public, privated, protected 같은 접근 제한자를 선언하여 공개 범위를 한정할 수 있다.

 

public으로 선언된 프로퍼티와 메서드는 클래스 외부에서 참조할 수 있지만 private으로 선언된 경우는 클래스 외부에서 참조할 수 없다.

 

자바스크립트는 public, private, protected 같은 접근 제한자를 제공하지 않는다. 따라서 자바스크립트 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 외부에 공개되어 있다. 즉, 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 public 하다.

 

function Person(name, age) {
  this.name = name; // public
  let _age = age; // private
  
  // 인스턴스 메서드
  this.sayHi = function () {
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
}

const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim. I am 30.
console.log(me.name); // Kim
console.log(me._age); // undefined

 

위의 코드에서 name 프로퍼티는 외부로 공개되어 있어서 자유롭게 참조하거나 변경할 수 있다. 즉, name 프로퍼티는 public 하다. 하지만 _age 변수는 Person 생성자 함수의 지역 변수이므로 Person 생성자 함수 외부에서 참조하거나 변경할 수 없다. 즉, _age 변수는 private 하다.

 

sayHi 메서드는 인스턴스 메서드이므로 Person 객체가 생성될 때마다 중복 생성된다. 중복 생성을 방지하기 위해 sayHi 메서드를 프로토타입 메서드로 변경하면 코드는 다음과 같다.

 

function Person(name, age) {
  this.name = name; // public
  let _age = age; // private
 }
 
 // 프로토타입 메서드
 Person.prototype.sayHi = function () {
   // Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없다.
   console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}`);
   
 };
 
const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Uncaught ReferenceError: _age is not defined at Person.sayHi
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

 

하지만 이 경우 Person.prototype.sayHi 메서드 내에서 Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없는 문제가 발생된다. 따라 아래의 코드와 같이 즉시 실행 함수를 사용하여 Person 생성자 함수와 Person.prototype.sayHi 메서드를 하나의 함수내에 모아야 한다.

 

const Person = (function(){
  let _age = 0; // private
  
  // 생성자 함수
  function Person(name, age){
    this.name = name; // public
    _age = age;
  }
  
  // 프로토타입 메서드
  Person.prototype.sayHi = function(){
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
  
  // 생성자 함수를 반환
  return Person;  
}());

const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim. I am 30.
console.log(you.name); // Kim
console.log(you._age); // undefined

 

이를 실행하면 즉시 실행 함수가 반환하는 Person 생성자 함수와 Person 생성자 함수의 인스턴스가 상속받아 호출할 Person.prototype.sayHi 메서드는 즉시 실행 함수가 종료된 이후 호출된다. 하지만 Person 생성자 함수와 sayHi 메서드는 이미 종료되어 소멸한 즉시 실행 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 있는 클로저다.

 

그치만 이 역시도 Person 생성자 함수가 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 다음과 같이 변수의 상태가 유지되지 않는 문제가 발생된다.

const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee, I am 20.

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim, I am 30.

// _age 변수 값이 변경된다!
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee, I am 30.

 

이처럼 자바스크립트는 정보 은닉을 흉내낼 수는 있지만 완전하게 지원하지 않는다.

6. 자주 발생하는 실수

아래는 클로저를 사용할 때 자주 발생할 수 있는 실수를 보여주는 코드이다.

 

var funcs = [];

for (var i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; }; // ⓐ
}

for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]()); // ⓑ
}

 

ⓐ 첫 번째 for 문의 코드 블록 내에서  함수가 func 배열의 요소로 추가된다.

 

ⓑ 두 번째 for문의 코드 블록 내에서 funcs 배열의 요소로 추가된 함수를 순차적으로 호출한다. 이때 func 배열의 요소로 추가된 3개의 함수가 0,1,2 를 반환할 것으로 예상하지만 결과는 모두 3을 반환한다.

 

이는 for 문의 변수 선언문에서 var 키워드로 선언한 i 변수는 블록 레벨 스코프가 아닌 함수 레벨 스코프를 갖기 때문에 전역 변수다. 전역 변수는 0, 1, 2 가 순차적으로 할당된다. 따라서 funcs 배열의 요소로 추가한 함수를 호출하면 전역 변수 i를 참조하여 i의 값 3이 출력된다.

 

따라 클로저를 사용해 원하는 형태로 바르게 동작하는 코드를 만들면 이는 아래와 같다.

 

var funcs = [];

for (var i = 0; i < 3; i++){
  funcs[i] = (function (id) { // ⓐ
    return function () {
      return id;
    };
  }(i));
}

for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]());
}

 

ⓐ 에서 즉시 실행 함수는 전역 변수 i 에 현재 할당되어 있는 값을 인수로 전달받아 매개변수 id에 할당한 후 중첩 함수를 반환하고 종료된다. 즉시 실행 함수가 반환한 함수는 funcs 배열에 순차적으로 저장된다.

 

이때 즉시 실행 함수의 매개 변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수의 상위 스코프에 존재한다. 즉시 실행 함수가 반환환 중첩 함수는 자신의 상위 스코프를 기억하는 클로저이고, 매개변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수에 묶여있는 자유 변수가 되어 그 값이 유지된다.

 

아래와 같이 let 키워드를 통해 더 깔끔하게 코드를 만들수도 있다.

 

const funcs = [];

for (let i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; };
}

for (let i = 0; i < funcs.length; i++) {
  console.log(funcs[i]()); // 0 1 2
}

 

이는 let이나 const 키워드를 사용하는 반복문은 코드 블록을 반복 실행할 때마다 새로운 렉시컬 환경을 생성하여 저장하기에 가능하다. 단, 이는 반복문의 코드 블록 내부에서 정의할 때만 의미가 있는데, 반복문의 코드 블록 내부에 함수 정의가 없는 반복문이 생성하는 새로운 렉시컬 환경은 반복 직후, 아무도 참조하지 않기 때문에 가비지 컬렉션의 대상이 되기 때문이다.

 

또 다른 방법으로는 고차 함수를 사용하는 방법이 있다. 이 방법은 변수와 반복문의 사용을 억제할 수 있기 때문에 오류를 줄이고 가독성을 좋게 만든다. 이로 표현한 코드는 아래와 같다. 

// 요소가 3개인 배열을 생성하고 배열의 인덱스를 반환하는 함수를 요소로 추가한다.
// 배열의 요소로 추가된 함수들은 모두 클로저다.
const funcs = Array.from(new Array(3), (_, i) => () => i); // (3) [ƒ, ƒ, ƒ]

// 배열의 요소로 추가된 함수 들을 순차적으로 호출한다.
funcs.forEach(f => console.log(f())); // 0 1 2

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