DeepDive - 24장.클로저

클로저는 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어에서 사용되는 중요한 특성으로 자바스크립트의 고유한 개념이 아니고, ECMAScript 사양에 등장하지도 않는다.

자바스크립트에서 클로저를 이해하려면 먼저 "함수가 선언된 렉시컬 환경"의 의미를 알아야한다.

const x = 1;

function outerFunc() {
  const x = 10;

  function innerFunc() {
    console.log(x); // 10
  }
  
  innnerFunc();
}

outerFunc();

위의 예제에서 outerFunc 함수 내부에 중첩 함수 innerFunc가 정의되고 호출되었고, 중첩 함수 innerFunc의 상위 스코프는 외부 함수 outerFunc 스코프이기 때문에, 중첩 함수 innerFunc 내부에서 외부 함수 outerFunc의 x 변수에 접근할 수 있다.

만약 innerFunc가 outerFunc에 중첩된 함수가 아니라면 innerFunc 함수를 outerFunc 함수의 내부에서 호출한다 하더라도 outerFunc 함수의 변수에 접근할 수 없다.

이와같은 현상은 자바스크립트가 렉시컬 스코프를 따르는 프로그래밍 언어이기 때문이다.

24.1 렉시컬 스코프

자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정한다. 이를 렉시컬 스코프(정적 스코프)라 한다.

스코프의 실체는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경인데, 이 렉시컬 환경은 자신의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결된다.(스코프 체인)

위의 예제에서 보면 innerFunc는 outerFunc의 함수 내부에 정의되어 있기 때문에 innerFunc의 상위 스코프는 outerFunc의 렉시컬 환경이다.

24.2 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

- 함수는 자신의 내부 슬롯 [[Enviromnet]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장한다.

- 함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성할 때, 자신이 정의된 환경에 의해 결정된 상위 스코프의 참조를 함수 객체 자신의 내부 슬롯[[Enviromnet]]에 저장한다.

- 자신의 내부 슬롯 [[Enviromnet]]에 저장된 상위 스코프의 참조는 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다.

따라서 함수 객체의 내부 슬롯 [[Enviromnet]]에 저장된 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프이며 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장될 값이다.

const x = 1;

function foo() {
  const x = 10;
  
  // 상위 스코프는 함수 정의에 따라 결정된다.
  // 함수 호출 위치와 상위 스코프는 아무런 관계가 없다.
  bar();
}

// 함수 bar는 자신의 상위 스코프, 즉 전역 렉시컬 환경을 [[Enviromnet]]에 저장하여 기억한다.
function bar() {
  console.log(x);
}

foo(); // 1
bar(); // 1

위 예제에서 foo, bar 함수 모두 전역에서 함수 선언문으로 정의되었기 때문에 전역 코드가 평가되는 평가되어 함수 객체를 생성하고 전역 window의 메서드가 된다. 이때 함수 객체의 내부 슬롯 [[Enviromnet]]에는 전역 렉시컬 환경의 참조가 저장된다.

* 함수가 호출되면 함수 내부로 제어권이 넘어가고 함수 코드의 평가는 아래의 순서대로 진행된다.

1. 함수 실행 컨텍스트 생성

2. 함수 렉시컬 환경 생성

2.1 함수 환경 레코드 생성

2.2 this 바인딩

2.3 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정 ( 함수 객체의 내부 슬롯 [[Enviromnet]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조가 할당)

24.3 클로저와 렉시컬 환경

const x = 1;

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

// outer 함수를 호출하면 중첩함수 inner를 반환한다.
const innerFunc = outer();
innerFunc() // 10

위의 코드를 실행하면 outer 함수는 이미 생명주기가 종료되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거되었지만, 결과는 outer 함수의 지역 변수 x의 값인 10이다.

이처럼 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되고, 이미 생명주기가 종료된 외부 함수의 변수를 참조하는 중첩함수를 클로저라고 한다.

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

즉, outer 함수가 실행이 종료되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거가 되어도, outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[Enviromnet]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있고 inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않는다.

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로 모든 함수는 클로저다. 하지만 일반적으로 모든 함수를 클로저라고 하지는 않는다.

예를들어 중첩 함수가 외부 함수(상위 스코프)의 식별자를 참조하지 않는 경우, 중첩 함수가 외부 함수(상위 스코프)의 식별자를 참조하지만, 외부 함수보다 생명주기가 짧은 경우에는 클로저라고 하지 않는다.

모던 브라우저는 최적화를 통해 상위 스코프의 식별자 중에서 클로저가 참조하고 있는 식별자만을 기억하고 참조되지 않는 식별자는 기억하지 않기 때문에 불필요한 메모리를 낭비하지 않는다.

클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수를 자유 번수라고 한다. 즉, 클로저는 자유 변수에 묶여 있는 함수라는 뜻이다.

24.4 클로저의 활용

클로저는 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다. 즉, 상태를 안전하게 은닉하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다.

let num = 0;

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

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

위 코드는 잘 동작하지만, num 이라는 전역 변수를 언제든지 누구나 접근 및 변경할 수 있기 때문에 오류를 발생시킬 가능성이 높다.

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

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

전역 변수 num을 increase 함수의 지역 변수로 변경하고 increase 함수를 통해서만 변경할 수 있게되어 의도치 않은 변경을 방지할 수는 있지만, num은 increase 함수가 호출될 때마다 매번 초기화되는 문제가 있다.

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

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

위 코드가 실행되면 즉시 실행 함수가 호출되고 즉시 실행 함수가 반환한 함수가 increase 변수에 할당된다. increase 함수는 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하는 클로저이다.

즉, 즉시 실행 함수는 호출된 이후 소멸되지만, 즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 increase 변수에 할당되고 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하고 있다.

const counter = (function () {
  // 카운트 상태 변수
  let num = 0;
  
  // 클로저인 메서드를 갖는 객체를 반환한다.
  // 객체 리터럴은 스코프를 만들지 않는다.
  // 따라서 아래 메서드들의 상위 스코프는 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경이다.
  return {
    // num = 0 프로퍼티는 public 하므로 은닉되지 않음
    increase() {
      return ++num;
    },
    decrease() {
      return --num;
    };
  }
}());  

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

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

위 예제에서 즉시 실행 함수가 반환하는 객체 리터럴은 즉시 실행 함수의 실행 단계에서 평가되어 객체가 되고, 객체의 메서드도 함수 객체로 생성된다. 하지만 객체 리터럴의 중괄호는 코드 블록이 아니므로 별도의 스코프를 생성하지 않기 때문에 increase, decrease 메서드의 상위 스코프는 즉시 실행 함수의 스코프이다.

const Counter = (function () {
  // 카운트 상태 변수
  let num = 0;
  
  function Counter() {
    // this.num = 0; 프로퍼티는 public하므로 은닉되지 않는다
  }
  
    Counter.prototype.increase = function () {
      return ++num;
    }
    
    Counter.prototype.decrease = function () {
      return --num;
    }
    
    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 예제에서 만약 num이 생성자 함수 Counter가 생성할 인스턴스의 프로퍼티(this.num = 0)이라면 인스턴스를 통해 외부에서 접근이 자유로운 public 프로퍼티가 되지만, 위와 같이 즉시 실행 함수 내부의 변수로 선언되면 인스턴스를 통해서 접근과 즉시 실행 함수 외부에서도 접근할 수가 없다.

이때, increase, decrease 메서드는 모두 자신의 함수 정의가 평가되어 함수 객체가 될 때 실행 중인 실행 컨텍스트인 즉시 실행 함수 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 기억하는 클로저다.

* 함수형 프로그래밍에서 클로저를 활용하는 예제 1

// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수
// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
function makeCounter(fn) {
  let counter = 0;
  
  // 클로저 반환
  return function () {
    counter = fn(counter);
    return counter;
  };
}

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

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

const increaser = makeCounter(increase);
console.log(increaser()); // 1
console.log(increaser()); // 2

const decreaser = makeCounter(decrease);
console.log(decreaser()); // -1
console.log(decreaser()); // -2

위 예제에서 makeCounter 함수를 호출해 함수를 반환할 때 반환된 함수는 자신만의 독립적인 렉시컬 환경을 갖는다. 하지만, 전역 변수 increaser와 decreaser에 할당된 함수는 각각 자신만의 독립적인 렉시컬 환경을 갖기 때문에 자유변수 counter를 공유하지 않아 카운터의 증감이 연동되지 않는다.

* 함수형 프로그래밍에서 클로저를 활용하는 예제 2

// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수
// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
const counter = (function () {

  let counter = 0;
  
  // 함수를 인수로 전달받는 클로저를 반환
  return function (fn) {
    counter = fn(counter);
    return counter;
  };
}());

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

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

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

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

위 코드처럼 작성하게 되면, 렉시컬 환경을 공유하는 클로저를 만들게 되고, 독립된 counter가 아닌 연동하여 증감이 가능한 counter 함수를 만들 수 있다.

23.4 캡슐화와 정보 은닉

* 캡슐화 : 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 동작인 메서드를 하나로 묶는 것을 말한다.

* 은닉화 : 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 캡슐화를 사용하는 것을 말한다.

정보 은닉은 적절치 못한 접근으로부터 객체의 상태가 변경되는 것을 방지해 정보를 보호하고, 객체 간의 상호 의존성(결합도)를 낮추는 효과가 있다.

대부분의 객체 지향 프로그래밍 언어는 클래스를 정의하고 그 클래스를 구성하는 멤버(프로퍼티와 메서드)에 대하여 public, private, protected 같은 접근 제한자를 선언하고 공개 범위를 한정할 수 있지만, 자바스크립트는 접근 제한자를 제공하지 않는다.

즉, 자바스크립트의 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 외부에 공개(public)되어 있다.

function Person(name, age) {
  this.name = name // public
  let _age = age; // private
  
  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(you.name) // Kim
console.log(you._age) // undefined

위 예제에서 _age 변수는 Person 생성자 함수의 지역 변수로 private하지만, sayHi 메서드는 인스턴스 메서드이므로 Person 객체가 생성될때마다 중복 생성되는 문제가 있다.

function Person(name, age) {
  this.name = name // public
  let _age = age; // private
}

Person.prototype.sayHi = function () {
    console.log(`Hi! My name is $[this.name}. I am ${_age}.`);
};

위 예제에서는 Person.prototype.sayHi 메서드에서 Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없는 문제가 발생한다.

const Person = (function () {
  let _age = 0; // private
  
  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}.`);
  }; 
  
  return Person; // 생성자 함수를 반환
}());

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

위 예제를 보면, 즉시 실행 함수가 반환하는 Person 생성자 함수와 Person 생성자 함수의 인스턴스가 상속받아 호출할 수 있는 Person.prototype.sayHi 메서드는 즉시 실행 함수가 종료된 이후 호출되지만, Person 생성자 함수와 sayHi 메서드는 이미 종료되어 소멸한 즉시 실행 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 있는 클로저다.

하지만 위 예제도 아래와 같은 문제가 발생한다.

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

// _age의 값이 변경된다
me.sayHi() // Hi! My name is Lee. I am 30.

이는 sayHi 메서드가 정의된 부분에서 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에는 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이 저장되기 때문이다.(상위 스코프의 결정은 함수를 어디서 호출했냐가 아닌 함수를 어디에 정의했는지에 따라 결정된다.)

24.6 자주 발생하는 실수

클로저를 사용할 때 자주 발생할 수 있는 실수를 보여주는 예제

var funcs = [];

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

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

// 3
// 3
// 3

위의 예제에서 for 문의 변수 선언문에서 var 키워드로 선언한 i 변수는 블록 레벨 스코프가 아닌 함수 레벨 스코프를 갖기 때문에 전역 변수가 되고, funcs 배열의 요소로 추가한 함수를 호출하면 전역 변수 i를 참조하여 i 값 3이 3번 출력된다.(스코프 체인을 통해 전역 변수 i를 참조)

const funcs = [];

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

for(let i = 0; i < 3; i++) {
  console.log(funcs[i]());
}

// 0
// 1
// 2

var 대신 let 키워드를 사용하면, for 문의 코드 블록이 반복 실행될 때마다 for 문 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경이 생성되기 때문에, for문 내부에서 정의한 함수가 있다면, 함수의 상위 스코프는 for 문의 코드 블록이 반복 실행될 때마다 생성된 for 문 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경이다.(스코프 체인을 통해 각각의 새로운 렉시컬 환경의 i를 참조)

이웅모 님의〔 모던 자바스크립트 Deep Dive 〕책을 공부하며 정리했습니다.

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Pocoding

DeepDive - 24장.클로저

24.1 렉시컬 스코프

24.2 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

24.3 클로저와 렉시컬 환경

24.4 클로저의 활용

23.4 캡슐화와 정보 은닉

24.6 자주 발생하는 실수

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