가상 머신: 자바스크립트 엔진 내부 구조 파헤치기

웹을 구동하는 보편적인 언어인 자바스크립트는 코드를 효율적으로 실행하기 위해 정교한 엔진에 의존합니다. 이 엔진들의 중심에는 가상 머신(VM)이라는 개념이 있습니다. 이 VM이 어떻게 작동하는지 이해하면 자바스크립트의 성능 특성에 대한 귀중한 통찰력을 얻고 개발자가 더 최적화된 코드를 작성할 수 있게 됩니다. 이 가이드는 자바스크립트 VM의 아키텍처와 작동 방식에 대해 심층적으로 다룹니다.

가상 머신이란 무엇인가?

본질적으로 가상 머신은 소프트웨어로 구현된 추상적인 컴퓨터 아키텍처입니다. 이는 자바스크립트와 같은 특정 언어로 작성된 프로그램이 기본 하드웨어와 독립적으로 실행될 수 있는 환경을 제공합니다. 이러한 격리는 이식성, 보안 및 효율적인 리소스 관리를 가능하게 합니다.

이렇게 생각해 볼 수 있습니다. VM을 사용하여 macOS 내에서 Windows 운영 체제를 실행할 수 있는 것처럼, 자바스크립트 엔진의 VM은 해당 엔진이 설치된 모든 플랫폼(브라우저, Node.js 등)에서 자바스크립트 코드를 실행할 수 있게 해줍니다.

자바스크립트 실행 파이프라인: 소스 코드에서 실행까지

자바스크립트 코드가 초기 상태에서 VM 내에서 실행되기까지의 여정은 여러 중요한 단계를 포함합니다:

파싱(Parsing): 엔진은 먼저 자바스크립트 코드를 파싱하여 추상 구문 트리(AST)로 알려진 구조화된 표현으로 분해합니다. 이 트리는 코드의 구문 구조를 반영합니다.
컴파일/인터프리테이션: 그 다음 AST가 처리됩니다. 최신 자바스크립트 엔진은 인터프리테이션과 컴파일 기법을 모두 사용하는 하이브리드 접근 방식을 사용합니다.
실행: 컴파일되거나 인터프리트된 코드는 VM 내에서 실행됩니다.
최적화: 코드가 실행되는 동안 엔진은 지속적으로 성능을 모니터링하고 실행 속도를 개선하기 위해 최적화를 적용합니다.

인터프리테이션 vs. 컴파일레이션

역사적으로 자바스크립트 엔진은 주로 인터프리테이션에 의존했습니다. 인터프리터는 코드를 한 줄씩 처리하며 각 명령어를 순차적으로 번역하고 실행합니다. 이 방식은 빠른 시작 시간을 제공하지만 컴파일레이션에 비해 실행 속도가 느릴 수 있습니다. 반면에 컴파일레이션은 실행 전에 전체 소스 코드를 기계 코드(또는 중간 표현)로 번역하는 과정을 포함합니다. 이는 더 빠른 실행을 가능하게 하지만 더 높은 시작 비용을 발생시킵니다.

최신 엔진은 두 접근 방식의 장점을 결합한 JIT(Just-In-Time) 컴파일 전략을 활용합니다. JIT 컴파일러는 런타임 중에 코드를 분석하고 자주 실행되는 부분(핫스팟)을 최적화된 기계 코드로 컴파일하여 성능을 크게 향상시킵니다. 수천 번 실행되는 루프를 생각해 보세요. JIT 컴파일러는 해당 루프가 몇 번 실행된 후에 최적화할 수 있습니다.

자바스크립트 가상 머신의 주요 구성 요소

자바스크립트 VM은 일반적으로 다음과 같은 필수 구성 요소로 이루어집니다:

파서(Parser): 자바스크립트 소스 코드를 AST로 변환하는 역할을 합니다.
인터프리터(Interpreter): AST를 직접 실행하거나 바이트코드로 변환합니다.
컴파일러(JIT): 자주 실행되는 코드를 최적화된 기계 코드로 컴파일합니다.
최적화기(Optimizer): 코드 성능을 개선하기 위해 다양한 최적화를 수행합니다(예: 함수 인라이닝, 데드 코드 제거).
가비지 컬렉터(Garbage Collector): 더 이상 사용되지 않는 객체를 회수하여 메모리를 자동으로 관리합니다.
런타임 시스템(Runtime System): 실행 환경에 필수적인 서비스(예: 브라우저의 DOM 접근, Node.js의 파일 시스템 접근)를 제공합니다.

유명 자바스크립트 엔진과 그 아키텍처

여러 유명 자바스크립트 엔진이 브라우저 및 기타 런타임 환경을 구동합니다. 각 엔진은 고유한 아키텍처와 최적화 기법을 가지고 있습니다.

V8 (크롬, Node.js)

구글이 개발한 V8은 가장 널리 사용되는 자바스크립트 엔진 중 하나입니다. 완전한 JIT 컴파일러를 사용하여 처음에는 자바스크립트 코드를 기계 코드로 컴파일합니다. V8은 또한 인라인 캐싱 및 히든 클래스와 같은 기술을 통합하여 객체 속성 접근을 최적화합니다. V8은 두 개의 컴파일러를 사용합니다: Full-codegen(비교적 느리지만 안정적인 코드를 생성하는 원래 컴파일러)과 Crankshaft(고도로 최적화된 코드를 생성하는 최적화 컴파일러)입니다. 더 최근에는 V8이 훨씬 더 진보된 최적화 컴파일러인 TurboFan을 도입했습니다.

V8의 아키텍처는 속도와 메모리 효율성에 고도로 최적화되어 있습니다. 메모리 누수를 최소화하고 성능을 향상시키기 위해 고급 가비지 컬렉션 알고리즘을 사용합니다. V8의 성능은 브라우저 성능과 Node.js 서버 측 애플리케이션 모두에 중요합니다. 예를 들어, 구글 문서와 같은 복잡한 웹 애플리케이션은 반응성 있는 사용자 경험을 제공하기 위해 V8의 속도에 크게 의존합니다. Node.js의 맥락에서, V8의 효율성은 확장 가능한 웹 서버에서 수천 개의 동시 요청을 처리할 수 있게 합니다.

SpiderMonkey (파이어폭스)

모질라가 개발한 SpiderMonkey는 파이어폭스를 구동하는 엔진입니다. 인터프리터와 여러 JIT 컴파일러를 갖춘 하이브리드 엔진입니다. SpiderMonkey는 오랜 역사를 가지고 있으며 수년에 걸쳐 상당한 발전을 거쳤습니다. 역사적으로 SpiderMonkey는 인터프리터와 그 다음 IonMonkey(JIT 컴파일러)를 사용했습니다. 현재 SpiderMonkey는 다중 계층의 JIT 컴파일을 갖춘 더 현대적인 아키텍처를 활용합니다.

SpiderMonkey는 표준 준수와 보안에 중점을 두는 것으로 알려져 있습니다. 사용자를 악성 코드로부터 보호하기 위한 강력한 보안 기능을 포함하고 있습니다. 그 아키텍처는 기존 웹 표준과의 호환성을 유지하면서 현대적인 성능 최적화를 통합하는 것을 우선시합니다. 모질라는 파이어폭스가 경쟁력 있는 브라우저로 남을 수 있도록 성능과 보안을 강화하기 위해 SpiderMonkey에 지속적으로 투자합니다. 파이어폭스를 내부적으로 사용하는 유럽의 한 은행은 민감한 금융 데이터를 보호하기 위해 SpiderMonkey의 보안 기능을 높이 평가할 수 있습니다.

JavaScriptCore (사파리)

Nitro라고도 알려진 JavaScriptCore는 사파리 및 기타 애플 제품에서 사용되는 엔진입니다. 이 또한 JIT 컴파일러를 갖춘 또 다른 엔진입니다. JavaScriptCore는 LLVM(Low Level Virtual Machine)을 백엔드로 사용하여 기계 코드를 생성하므로 뛰어난 최적화가 가능합니다. 역사적으로 JavaScriptCore는 JIT 컴파일러의 초기 버전인 SquirrelFish Extreme을 사용했습니다.

JavaScriptCore는 애플의 생태계와 밀접하게 연결되어 있으며 애플 하드웨어에 고도로 최적화되어 있습니다. 이는 아이폰 및 아이패드와 같은 모바일 기기에 중요한 전력 효율성을 강조합니다. 애플은 자사 기기에서 부드럽고 반응성 있는 사용자 경험을 제공하기 위해 JavaScriptCore를 지속적으로 개선합니다. JavaScriptCore의 최적화는 복잡한 그래픽 렌더링이나 대용량 데이터 처리와 같은 리소스 집약적인 작업에 특히 중요합니다. 아이패드에서 원활하게 실행되는 게임을 생각해 보세요. 이는 부분적으로 JavaScriptCore의 효율적인 성능 덕분입니다. iOS용 증강 현실 애플리케이션을 개발하는 회사는 JavaScriptCore의 하드웨어 인식 최적화로부터 이점을 얻을 수 있습니다.

바이트코드와 중간 표현

많은 자바스크립트 엔진은 AST를 기계 코드로 직접 변환하지 않습니다. 대신 바이트코드라는 중간 표현을 생성합니다. 바이트코드는 원래의 자바스크립트 소스보다 최적화하고 실행하기 쉬운 저수준의 플랫폼 독립적인 코드 표현입니다. 그런 다음 인터프리터나 JIT 컴파일러가 바이트코드를 실행합니다.

바이트코드를 사용하면 동일한 바이트코드를 재컴파일할 필요 없이 다른 플랫폼에서 실행할 수 있으므로 이식성이 향상됩니다. 또한 JIT 컴파일러가 더 구조화되고 최적화된 코드 표현으로 작업할 수 있으므로 JIT 컴파일 프로세스를 단순화합니다.

실행 컨텍스트와 호출 스택

자바스크립트 코드는 변수, 함수, 스코프 체인을 포함하여 코드가 실행되는 데 필요한 모든 정보를 담고 있는 실행 컨텍스트(execution context) 내에서 실행됩니다. 함수가 호출되면 새로운 실행 컨텍스트가 생성되어 호출 스택(call stack)에 푸시됩니다. 호출 스택은 함수 호출의 순서를 유지하고 함수가 실행을 마쳤을 때 올바른 위치로 돌아가도록 보장합니다.

호출 스택을 이해하는 것은 자바스크립트 코드를 디버깅하는 데 매우 중요합니다. 오류가 발생했을 때 호출 스택은 오류로 이어진 함수 호출의 추적을 제공하여 개발자가 문제의 원인을 정확히 찾아내는 데 도움을 줍니다.

가비지 컬렉션

자바스크립트는 가비지 컬렉터(GC)를 통해 자동 메모리 관리를 사용합니다. GC는 더 이상 접근할 수 없거나 사용되지 않는 객체가 차지하는 메모리를 자동으로 회수합니다. 이는 메모리 누수를 방지하고 개발자의 메모리 관리를 단순화합니다. 최신 자바스크립트 엔진은 중단을 최소화하고 성능을 향상시키기 위해 정교한 GC 알고리즘을 사용합니다. 엔진마다 마크 앤 스윕(mark-and-sweep)이나 세대별 가비지 컬렉션(generational garbage collection)과 같은 다른 GC 알고리즘을 사용합니다. 예를 들어, 세대별 GC는 객체를 나이별로 분류하여 오래된 객체보다 젊은 객체를 더 자주 수집하는데, 이는 더 효율적인 경향이 있습니다.

가비지 컬렉터가 메모리 관리를 자동화하지만, 자바스크립트 코드에서 메모리 사용에 유의하는 것은 여전히 중요합니다. 많은 수의 객체를 생성하거나 필요 이상으로 객체를 오래 보유하면 GC에 부담을 주고 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

자바스크립트 성능을 위한 최적화 기법

자바스크립트 엔진이 어떻게 작동하는지 이해하면 개발자가 더 최적화된 코드를 작성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다음은 몇 가지 주요 최적화 기법입니다:

전역 변수 피하기: 전역 변수는 속성 조회를 느리게 할 수 있습니다.
지역 변수 사용하기: 지역 변수는 전역 변수보다 빠르게 접근할 수 있습니다.
DOM 조작 최소화: DOM 작업은 비용이 많이 듭니다. 가능할 때마다 업데이트를 일괄 처리하세요.
루프 최적화: 효율적인 루프 구조를 사용하고 루프 내 계산을 최소화하세요.
메모이제이션 사용하기: 비용이 많이 드는 함수 호출 결과를 캐시하여 중복 계산을 피하세요.
코드 프로파일링하기: 프로파일링 도구를 사용하여 성능 병목 현상을 식별하세요.

예를 들어, 웹페이지의 여러 요소를 업데이트해야 하는 시나리오를 생각해 보세요. 각 요소를 개별적으로 업데이트하는 대신, 업데이트를 단일 DOM 작업으로 일괄 처리하여 오버헤드를 최소화하세요. 마찬가지로, 루프 내에서 복잡한 계산을 수행할 때, 루프 내내 상수로 유지되는 값을 미리 계산하여 중복 계산을 피하도록 노력하세요.

자바스크립트 성능 분석 도구

개발자가 자바스크립트 성능을 분석하고 병목 현상을 식별하는 데 도움이 되는 여러 도구가 있습니다:

브라우저 개발자 도구: 대부분의 브라우저에는 코드의 다른 부분의 실행 시간을 측정할 수 있는 프로파일링 기능을 제공하는 내장 개발자 도구가 포함되어 있습니다.
Lighthouse: 구글이 만든 도구로, 웹 페이지의 성능, 접근성 및 기타 모범 사례를 감사합니다.
Node.js 프로파일러: Node.js는 서버 측 자바스크립트 코드의 성능을 분석하는 데 사용할 수 있는 내장 프로파일러를 제공합니다.

자바스크립트 엔진 개발의 미래 동향

자바스크립트 엔진 개발은 성능, 보안 및 표준 준수를 개선하기 위한 지속적인 노력으로 계속 진행되고 있습니다. 몇 가지 주요 동향은 다음과 같습니다:

웹어셈블리(Wasm): 웹에서 코드를 실행하기 위한 바이너리 명령어 형식입니다. Wasm을 사용하면 개발자가 다른 언어(예: C++, Rust)로 코드를 작성하고 이를 Wasm으로 컴파일하여 브라우저에서 네이티브에 가까운 성능으로 실행할 수 있습니다.
계층적 컴파일: 여러 계층의 JIT 컴파일을 사용하며, 각 계층은 점진적으로 더 공격적인 최적화를 적용합니다.
개선된 가비지 컬렉션: 더 효율적이고 덜 방해되는 가비지 컬렉션 알고리즘을 개발합니다.
하드웨어 가속: 하드웨어 기능(예: SIMD 명령어)을 활용하여 자바스크립트 실행을 가속화합니다.

특히 웹어셈블리는 웹 개발에서 중요한 변화를 나타내며, 개발자가 고성능 애플리케이션을 웹 플랫폼으로 가져올 수 있게 합니다. 웹어셈블리 덕분에 브라우저에서 직접 실행되는 복잡한 3D 게임이나 CAD 소프트웨어를 생각해 보세요.

결론

자바스크립트 엔진의 내부 작동을 이해하는 것은 진지한 자바스크립트 개발자에게 매우 중요합니다. 가상 머신, JIT 컴파일, 가비지 컬렉션 및 최적화 기법의 개념을 파악함으로써 개발자는 더 효율적이고 성능이 뛰어난 코드를 작성할 수 있습니다. 자바스크립트가 계속 발전하고 점점 더 복잡한 애플리케이션을 구동함에 따라, 그 기본 아키텍처에 대한 깊은 이해는 더욱 가치 있게 될 것입니다. 전 세계 사용자를 위한 웹 애플리케이션을 구축하든, Node.js로 서버 측 애플리케이션을 개발하든, 또는 자바스크립트로 인터랙티브한 경험을 만들든, 자바스크립트 엔진 내부에 대한 지식은 의심할 여지 없이 여러분의 기술을 향상시키고 더 나은 소프트웨어를 만드는 데 도움이 될 것입니다.

계속 탐색하고, 실험하며, 자바스크립트로 가능한 것의 경계를 넓혀가세요!