24장 클로저

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기술 학습/JavaScript

24장 클로저

현인(Hyeon In) 2023. 8. 29. 16:17

클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니다. 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어에서 사용되는 중요한 특성이다.

클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니므로 클로저의 정의가 ECMAScript 사양에 등장하지 않는다.

MDN에서는 클로저에 대해 다음과 같이 정의하고 있다.

클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.

렉시컬 스코프

자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의 했는지에 따라 상위 스코프를 결정한다. 이를 렉시컬 스코프라 한다.

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

정리하면, 렉시컬 환경의 “외부 렉시컬 환경에 대한 참조”에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경에 의해 결정된다. 이것이 바로 렉시컬 스코프다.

함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

함수 객체는 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장한다.

이때 [[Enviroment]]에 저장된 상위 스코프의 참조는 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 가리킨다. 왜냐하면 함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성하는 시점은 함수가 정의된 환경, 즉 상위 함수가 평가 또는 실행되고 있는 시점이며, 이때 실행 중인 실행 컨텍스트는 상위 함수의 실행 컨텍스트이기 때문이다.

함수 객체는 내부 슬롯 [[Enviroment]]에 저장한 렉시컬 환경의 참조, 즉 상위 스코프를 자신이 존재하는 한 기억한다.

함수가 호출되면 함수 내부로 코드의 제어권이 이동한다. 그리고 함수 코드를 평가하기 시작한다. 함수 코드 평가는 아래 순서로 진행된다.

함수 실행 컨텍스트 생성
함수 렉시컬 환경 생성
1. 함수 환경 레코드 생성
2. this 바인딩
3. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

이 때 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 함수 객체의 내부 슬롯 [[Enviroment]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조가 할당된다. 즉, 함수 객체의 내부 슬롯 [[Enviroment]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조는 바로 함수의 상위 스코프를 의미한다. 이것이 바로 정의 위치에 따라 상위 스코프를 결정하는 렉시컬 스코프의 실체다.

클로저와 렉시컬 환경

const x = 1;

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

const innerFunc = outer();
innerFunc(); // 10

위 예제에서 outer 함수를 호출하면 outer 함수는 중첩 함수 inner를 반환하고 생명 주기를 마감한다.

즉, outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거된다.

이때 outer 함수의 지역 변수 x와 변수 값 10을 저장하고 있던 outer 함수의 실행 컨텍스트가 제거되었으므로 outer 함수의 지역 변수 x 또한 생명 주기를 마감한다.

따라서 outer 함수의 지역 변수 x는 더는 유효하지 않게 되어 x 변수에 접근할 수 있는 방법은 달리 없어 보인다.

그러나 위 코드의 실행 결과는 outer 함수의 지역 변수 값인 10이다.

이처럼 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다. 이러한 중첩 함수를 클로저라한다.

자바스크립트의 모든 함수는 자신의 상위 스코프를 기억한다. 모든 함수가 기억하는 상위 스코프는 함수를 어디서 호출하든 상관없이 함수는 언제나 자신이 기억하는 상위 스코프의 식별자를 참조할 수 있으며 식별자에 바인딩된 값을 변경할 수도 있다.

위 예제에서 inner 함수는 자신이 평가될 때 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 [[Enviroment]] 내부 슬롯에 저장한다. 이때 저장된 상위 스코프는 inner 함수가 존재하는 한 유지된다.

outer 함수의 생명 주기가 종료되어 실행 컨텍스트에서 제거되었지만 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸한 것은 아니다. inner 함수의 [[Enviroment]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있고 inner 함수는 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않는다.

가비지 컬렉터는 누군가가 참조하고 있는 메모리 공간을 함부로 해제하지 않는다.

따라서 중첩 함수 inner는 외부 함수 outer보다 더 오래 생존한다. 외부 함수보다 오래 생존한 중첩 함수는 외부 함수의 생존 여부와 상관 없이 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억한다.

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로 모든 함수는 클로저다. 하지만 일반적으로 모든 함수를 클로저라 하지 않는다.

상위 스코프의 어떤 식별자도 참조하지 않으면 대부분의 모던 브라우저는 최적화를 통해 상위 스코프를 기억하지 않는다. 참조하지도 않는 식별자를 기억하는 것은 메모리 낭비이기 때문이다.

외부 함수보다 중첩 함수의 생명 주기가 짧은 경우도 클로저의 본질에 부합하지 않는다.

정리하면, 클로저는 중첩 함수가 상위 스코프의 식별자를 참조하고 있고 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정된다.

클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수를 자유 변수라고 한다. 클로저란 함수가 자유변수에 대해 닫혀있다(closed)는 의미다.

클로저를 사용하면 불필요한 메모리 낭비가 일어나나? 자바스크립트 엔진은 최적화가 잘 되어 있어서 클로저가 참조하고 있지 않은 식별자는 기억하지 않는다. 기억해야 할 식별자를 기억하는 것을 불필요한 메모리 낭비라고 볼 수 없다.

클로저는 자바스크립트의 강력한 기능으로, 필요하다면 적극적으로 활용해야 한다.

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 호출 될 때 호출된 횟수를 누적하여 출력하는 카운터를 만들어보자. 이 예제의 호출된 횟수(num)가 바로 안전하게 변경하고 유지해야 할 상태다.

let num = 0;

const increase = function () {
	return ++num;
}

console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3

위 코드는 잘 동작하지만, 오류를 발생시킬 수 있는 가능성을 내포하고 있다.

num을 increase 함수 뿐만 아니라 다른 방법으로도 변경 시킬 수 있기 때문이다.

const increase = function () {
	let num = 0;
	return ++num;
};

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

위 코드처럼 수정하면 의도치 않은 변경은 제어할 수 있으나 함수를 호출 할 때마다 num이 새롭게 생성되기 때문에 이전 상태를 유지할 수 없다.

const increase = (function () {
	let num = 0;
	
	// 클로저
	return function () {
		return ++num;
	}; 
}());

console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3

위 코드에서 즉시 실행 함수는 호출된 이후 소멸하지만 즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 increase 변수에 할당되어 호출된다. 이때 즉시 실행 함수가 반환된 클로저는 자신이 정의된 위치에 의해 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하고 있다. 따라서 즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 카운트 상태를 유지한 자유 변수 num을 언제 어디서 호출하든지 참조하고 변경할 수 있다.

const counter = (function () {
	let num = 0;
	
	// 클로저인 메서드를 갖는 객체를 반환
	return {
		increase() {
			return ++num;
		}
		decrease() {
			return num > 0 ? --num : 0;
		}
	}
}());

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

console.log(counter.decrease()); // 1
console.log(counter.decrease()); // 0

위 코드는 카운트 상태를 감소 시키는 기능도 추가한 코드다.

즉시 실행 함수가 반환하는 객체 리터럴은 즉시 실행 함수의 실행 단계에서 평가되어 객체가 된다.

이때 객체의 메서드도 함수 객체로 생성된다. 객체 리터럴의 중괄호는 코드 블록이 아니므로 별도의 스코프를 생성하지 않는다.

따라서 increase, decrease 메서드는 즉시 실행 함수 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 참조하는 클로저가 된다.

위 코드를 생성자 함수로 표현하면 다음과 같다.

const Counter = (function () {
	let num = 0;

	function Counter() {}

	Counter.prototype.increase = function () {
		return ++num;
	};
	
	Counter.prototype.decrease = function () {
		return num > 0 ? --num : 0;
	}
	
	return Counter;
}());

const counter = new Counter();

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

console.log(counter.decrease()); // 1
console.log(counter.decrease()); // 0

위 예제의 num은 생성자 함수 Counter가 생성할 인스턴스의 프로퍼티가 아니다.

따라서 인스턴스를 통해 접근할 수 없는 은닉된 변수이다.

생성자 함수 Counter는 프로토타입을 통해 increase, decrease 메서드를 상속 받는 인스턴스를 생성한다. 두 메서드 모두 평가되는 시점이 즉시 실행 함수가 실행 중인 컨텍스트일 때이기 때문에 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하는 클로저다.

따라서 프로토타입의 메서드일지라도 즉시 실행 함수의 자유 변수 num을 참조할 수 있다. 다시 말해, num 변수의 값은 increase, decrease 메서드만이 변경할 수 있다.

변수 값은 누군가에 의해 언제든지 변경될 수 있어 오류 발생의 근본적 원인이 될 수 있다. 외부 상태 변경이나 가변 데이터를 피하고 불변성을 지향하는 함수형 프로그래밍에서 부수 효과(side effect)를 최대한 억제하여 오류를 피하고 프로그램의 안정성을 높이기 위해 클로저는 적극적으로 사용된다.

다음은 함수형 프로그래밍에서 클로저를 활용하는 간단한 예제이다.

// 함수를 반환하는 고차함수
// 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;
	};
}());

// 보조 함수
function increase(n) {
	return ++n;
}

// 보조 함수
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

캡슐화와 정보 은닉

캡슐화는 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 동작인 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 객체 지향 프로그래밍 언어는 클래스를 정의하고 그 클래스를 구성하는 멤버에 대하여 접근 제한자를 선언하여 공개 범위를 한정할 수 있지만 자바스크립트는 접근 제어자를 제공하지 않는다. 따라서 자바스크립트 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 외부에 공개되어 있다.

const Person = (function () {
	let _age = 0; // private
	
	function Person(name, age){
		this.name = name; // public
		_age = age;
	}
	
	Person.prototype.sayHi = function () {
		console.log(`Hi my name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
	};
	
	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('Choi', 30);
you.sayHi(); // Hi my name is Choi. I am 30
console.log(you.name); // Choi
console.log(you._age); // undefined

// _age 변수의 상태가 객체 별로 유지되지 않음
me.sayHi(); // Hi my name is Lee. I am 30

위 예제에서 보면 자바스크립트에서도 정보 은닉이 가능한 것처럼 보인다. 하지만 Person 생성자 함수로 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 _age 변수의 상태가 인스턴스 별로 유지되지 않는다.

이는 Person.prototype.sayHi 메서드가 단 한 번 생성되는 클로저이기 때문이다.

이처럼 자바스크립트는 정보 은닉을 완벽하게 지원하지 않는다.

자주 발생하는 실수

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]());
}

// result
// 3
// 3
// 3

위 예제에서 문제점은 i 변수가 var 키워드로 선언되었다는 점이다.

var 키워드는 함수 레벨 스코프를 따르기 때문에 i는 전역 변수가 된다. 따라서 funcs 배열의 요소로 추가한 함수를 호출하면 모두 전역 변수 i를 참조하여 3이 출력된다.

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]());
}

i를 var 키워드 대신 let 키워드로만 변경해서 사용해도 위 문제는 깔끔히 해결할 수 있다.

let은 블록 레벨 스코프를 따르고 for 문의 블록은 반복 실행 될 때마다 새로운 렉시컬 환경을 생성하기 때문에 for 문 안에 있는 함수는 상위 스코프로 for 문이 생성한 렉시컬 환경을 참조한다.

마치며

프론트엔드 면접 단골 질문 중 하나인 클로저에 대해 알아보았다. 실행 컨텍스트 부터 쭉 공부를 하다보면 사실 엄청 어려운 내용은 아니다. 하지만 클로저가 무엇인가 라는 질문에 대답하는 것이 참 어려웠다. 적어도 면접을 위해 공부를 한다면 클로저에 대해 공부하면서 내가 클로저를 한 문장으로 어떻게 정리할 것인지 고민해보는 것도 좋은 것 같다. 자바스크립트 라이브러리들을 보면 클로저가 정말 많이 활용된다. React에서 useState 훅만 봐도 클로저로 구현되어 있다. 이처럼 정말 중요하고 앞으로도 많이 활용하게 될 개념이므로 잘 숙지해 두자.

참고 문헌

- 이웅모. 『모던 자바스크립트 Deep Dive』. 위키북스, 2020.

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함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

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캡슐화와 정보 은닉

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마치며

참고 문헌

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