24장: 클로저

퀴즈

아래 출력 결과는?

const x = 1;

function foo() {
  const x = 10;
  bar();
}

function bar() {
  console.log(x);
}

foo(); // ?
bar(); // ?
// ----------------------------
const x = 1;

function foo() {
    const x = 10;
    const bar =function (){
        console.log(x);
    }
    return bar;
}

const bar = foo(); 
bar();

개념 정리

• Lexical Scope란?

  • Lexical Scope는 함수와 변수의 Scope를 선언된 위치를 기준으로 정합니다. 반대로 Dynamic Scope는 함수나 변수의 Scope를 호출된 시점을 기준으로 사용합니다. 즉, JS는 Runtime에 동적으로 Scope를 정하지 않고 Compile 시점에 변수나 함수가 선언된 위치를 기준으로 Scope를 정한다.

• 실행 컨택스트란?

  • 실행할 코드에 제공할 환경 정보들을 모아놓은 객체입니다. 자바스크립트는 동일한 환경에 있는 환경 정보들을 모은 실행 컨텍스트를 콜스택에 쌓아올린 후 실행하여 코드의 환경과 순서를 보장할 수 있게 됩니다.

• 크롬 개발자 도구에서 실행 컨택스트 변하는것 확인하기

따라서 2개의 예시가 다른 결과를 내는 이유는, Lexical Scope를 사용하기 때문이고, 2번째 예시에서, foo가 실행 컨택스트에서 사라짐에도 bar가 foo의 값을 기억하는 이유는 클로저에 의해 참조되고 있기 때문이다. (참고로, 클로저에 기억 됬기에, GC의 대상이 되지 않는다.)

• 그래서 Closure란 무엇인가요?

  • Closure는 외부 함수 호출이 종료되었음에도 외부함수의 변수 or 인자에 접근 할 수 있는 함수.

// 1 번째 예시
const x = 1;

function foo() {
  const x = 10;
  bar();
}

function bar() {
  console.log(x);
}

foo(); // 1
// ------------------------------------
// 2 번째 예시
const x = 1;

function foo() {
  const x = 10;
  const bar = function () {
    console.log(x);
  }
  return bar;
}

const bar = foo(); 
bar(); //1

실행 컨택스트 다이어그램

inner 함수 환경정보인 [[Enviroment]]에 outer가 저장되어 있다.

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(); 

image1

외부함수 outer가 소멸되도 inner에 남아있다.

image2

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로 모든 함수는 클로저다. 하지만 일반적으로 모든 함수를 클로저라고 하지는 않는다. 아래 경우 개발자도구에서 보면 Closure가 추가되어 있지않다.

클로저는 중첩 함수가 상위 스코프의 식별자 를 참조하고 있고 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정하는 것이 일반적이다 (참조하지도 않는 식별자를 기억하는 것은 메모리 낭비).

function foo() {
  const x = 10;
  const bar = function () {
    var y = 100;
    console.log(y); //100
  }
  return bar;
}

const bar = foo(); 
bar(); 

자유변수?

클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수를 자유 변수 (free variable)라고 부른다. Closure를 알기 쉽게 의역하자면 **"자유 변수에 묶여있는 함수"**라고 할 수 있다.

참고로, 클로저로 상위 스코프를 참조할때 모든 부분이 아닌 필요한 부분만 참조하게 최적화 되어있다 (메모리 낭비 예방).

정보은닉 기능

클로저의 또 다른 활용으로 정보 은닉이 있다. 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다. 즉, 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다.

예제1 경우, num을 누구든 접근할 수 있다. 안전하지 못하다. 예제2 경우, num을 increase 함수만이 변경하도록 바꿧다. 하지만 출력결과 언제나 1 예제3 경우, num이 이전 상태를 유지하도록 Closure를 사용했다. 외부에서 직접 접근할 수 없는 은닉된 private 변수가 된다. (즉시 실행 함수 또한 활용되었다)

즉시실행 함수란? ([링크](https://chanhuiseok.github.io/posts/js-5/))

즉시 실행 함수는 함수가 정의되면서 동시에 바로 실행합니다 (최초 한 번의 실행해, 추후 호출 불가). 함수만의 유효 범위를 가지게 되는 효과를 볼 수 있으므로, 라이브러리들이 최초 한 번의 실행만 필요로 하는 초기화 코드 등에서, 변수 중복 문제나 임의 접근 문제 등을 피하기 위해 많이 사용됩니다.

// 예제1
let num = 0;

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

console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3
// --------------------------------
// 예제2
const increase = function () {
  let num = 0;
  return ++num;
};

console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
// --------------------------------
// 예제3
const increase = (function () {
  let _num = 0;
  return function () {
    return ++_num;
  };
}());

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

증가 뿐만 아니라 감소 기능도 추가할 경우

const counter = (function () {
  let num = 0;
  return {
    increase(){
      return ++num;
    },
    decrease(){
      return --num;
    }
  }
}());

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

생성자 함수를 사용한다면?

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. 따라서, 즉시실행함수의 자유변수인 num을 참조할 수 있다.

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

이와 같이, 외부 상태 변경이나 가변 데이터를 피하고 불변성을 지향하는 함수형 프로그래밍에서 오류를 피하고 프로그램의 안정성을 높이기 위해 Closure는 적극적으로 사용된다.

함수형 프로그래밍에서 클로저를 활용하는 예

아래는 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수를 활용하였다.

• 함수형 프로그래밍이란?

  • 함수형 프로그래밍에서는 함수가 1급 객체가 된다

  • 고차 함수의 속성

    • 함수를 인자로써 전달 할 수 있어야 한다.

    • 함수의 반환 값으로 또 다른 함수를 사용 할 수 있다.

// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
function makeCounter(aux) {
  // 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수
  let counter = 0;

  // 클로저 반환
  return function () {
    // 인수로 전달 받은 보조 함수에 상태 변경을 위임한다.
    counter = aux(counter);
    return counter;
  };
}

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

// 보조 함수
function decrease(n) {
  return --n;
}

// 함수로 함수를 생성한다.
// makeCounter 함수는 보조 함수를 인수로 전달받아 함수를 반환한다
const increaser = makeCounter(increase); // ①
console.log(increaser()); // 1
console.log(increaser()); // 2

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

그러나, 위 예제의 문제는... makeCounter를 통해 반환된 함수는 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 같기에, increaser와 decreaser는 카운터 상태가 연동하지 않는다.

렉시컬 환경을 공유하는 클로저를 만들어 보자.

const counter = (function () {
  // 자유 변수
  let counter = 0;

  // 함수를 인수로 전달받는 클로저를 반환
  return function (aux) {
    // 인수로 전달 받은 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

위에 정보 은닉 기능을 살펴보았지만 사실, 자바스크립트는 정보 은닉을 완전하게 지원하지 않는다! 응?

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 public하다.

예제1 경우, _age 변수는 Person 생성자 함수의 지역 변수이므로 Person 생성자 함수 외부에서 참조하거나 변경할 수 없다. 하지만 sayHi 메서드는 인스턴스 메서드이므로 Person 객체가 생성될 때마다 중복 생성된다.

예제2 경우, 중복 생성은 방지했다. 하지만, sayHi 메서드 내에서 지역 변수 _age를 참조할 수 없는 문제가 발생한다.

예제3 경우, 즉시 실행 함수를 사용하여 Person 생성자 함수와 sayHi 메서드를 하나의 함수 내로 모았다. 하지만 이 코드도 문제가 있다. Person 생성자 함수가 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 _age 변수의 상태가 유지되지 않게 되었다. 이는 Person.prototype.sayHi 메서드가 단 한 번 생성되는 클로저이기 때문에 발생하는 현상이다.

Person.prototype. sayHi 메서드는 즉시 실행 함수가 호출될 때 생성된다. 이때 Person.prototype. sayHi 메서드는 자신의 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조를 [[Environment]]에 저장하여 기억한다. 따라서 Person 생성자 함수의 모든 인스턴스가 상속을 통해 호출할 수 있는 Person.prototype.sayHi 메서드의 상위 스코프는 어떤 인스턴스로 호출하더라도 하나의 동일한 상위 스코프를 사용하게 된다. 이러한 이유로 Person 생성자 함수가 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 위와 같이 _age 변수의 상태가 유지되지 않는다.

// 예제1
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(you.name); // Kim
console.log(you._age); // undefined
// --------------------------------
// 예제2
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}.`);
};
// --------------------------------
// 예제3
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

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 완전하게 지원하지 않는다. 인스턴스 메서드를 사용한다면 자유 변수를 통해 private을 흉내 낼 수는 있지만 프로토타입 메서드를 사용하면 이마저도 불가능해진다. ES6의 Symbol 또는 weakVap을 사용하여 private한 프로퍼티를 흉내 내기도 했으나 근본적인 해결책이 되지는 않는다.

다행히도 2021년 1월 현재, TC39 프로세스의 stage 3(candidate)에는 클래스에 private 필드를 정의할 수 있는 새로운 표준 사양이 제안되어 있다. 표준 사양으로 승급이 확실시되는 이 제안은 현재 최신 브라우저 (Chrome 74 이상)와 최신 Node.js(버전 12 이상)에 이미 구현되어 있다.

자주 발생하는 실수

아래는 굳이 사용하지 않아도 되는데, 클로저로 처리하게 되면 메모리 낭비가 심하게 발생할 수 있다는 것을 보여주는것 같다.

예제1 경우, funcs 배열의 요소로 추가된 3개의 함수가 0, 1, 2를 반환할 것으로 기대했다면 아쉽지만 결과는 그렇지 않다. var 키워드로 선언했기에 전역 변수다.

예제2 경우, 클로저를 사용해 바르게 동작하도록 하였다.

예제3 경우, var 가 아닌 ES6에 추가된 Let 키워드를 사용하면 해결

예제4 경우, 다른 방법으로 함수형 프로그래밍 기법인 고차 함수를 사용하는 방법이 있다.

// 예제1
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]()); 
}
// --------------------------------
// 예제2
var funcs = [];

for (var i = 0; i < 3; i++){
  funcs[i] = (function (id) { // ①
    return function () {
      return id;
    };
  }(i));
}

for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]());
}
// --------------------------------
// 예제3
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
}
// --------------------------------
// 예제4
// 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