자바스크립트 클로저 closure

2023년 11월 20일

자바스크립트 클로저에 대한 학습한 내용을 정리하는 글이다. (틀린 내용이 있을 수 있다)

정의

MDN에서 클로저는 다음과 같이 정의되어 있다.

A closure is the combination of a function bundled together (enclosed) with references to its surrounding state (the lexical environment).
클로저는 함수와 그 함수가 선언된 주변 상태(렉시컬 환경)와의 조합이다.
In other words, a closure gives you access to an outer function's scope from an inner function.
즉, 클로저는 내부 함수에서 외부 함수의 스코프에 대한 접근을 제공한다.

렉시컬 환경 lexical Environment

렉시컬 환경은 스코프를 구분하여 식별자를 등록하고 관리하는 저장소 역할을 하는 렉시컬 스코프의 실체다.
자바스크립트 엔진은 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정한다. 이것을 렉시컬 스코프(정적 스코프)라 한다.

함수의 호출 위치는 함수의 상위 스코프 결정에 영향을 끼치지 못한다. 함수의 상위 스코프는 함수를 정의한 위치에 의해 정적으로 결정되며, 함수 실행 중에는 상위 스코프가 변경되지 않는다. 이때 함수의 상위 스코프를 결정한다는 것은 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장할 참조값(상위 렉시컬 환경에 대한 참조)을 결정한다는 것을 의미한다.

즉, 렉시컬 스코프는 함수 정의가 평가되는 시점에, 함수가 정의된 위치에 따라 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조(상위 스코프에 대한 참조)를 결정한다.

클로저

closure.js

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

  return inner;
}

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

위 예제의 outer 함수를 호출하면 내부 함수 inner를 반환하고 생명 주기를 마감한다. outer 함수의 변수 x = "outer x" 또한 생명 주기를 함께 마감한다. 따라서 outer 함수의 지역 변수 x는 더는 유효하지 않게 되어 접근할 수 없게 될 것으로 예상된다.

하지만 innerFunc를 호출하면 "outer x"가 console.log 된다. 이는 내부 함수 inner가 평가될 때 inner의 외부 함수 outer의 렉시컬 환경(상위 스코프)을 기억(참조)하고 있기 때문이다. 이때 저장된 상위 스코프는 함수가 존재하는 한 유지된다.

이처럼 외부 함수보다 내부 함수가 더 오래 유지되는 경우 내부 함수는 이미 생명 주기가 종료된 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다. 이러한 내부 함수를 클로저라고 부른다.

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로 모든 함수는 클로저라고 볼 수 있지만, 클로저는 내부 함수가 상위 스코프의 식별자를 참조하고 있고 내부 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정하는 것이 일반적이다.

클로저의 활용

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

increase.js

let num = 0;

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

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

위 코드는 의도한 대로 동작하지만 오류를 발생시킬 가능성 있다. 전제 조건으로 변수 num이 increase 함수가 호출되기 전까지 변경되지 않아야 하고, increase 함수만으로 변경해야 한다.

하지만 변수 num은 전역 변수를 통해 관리되고 있기 때문에 의도지 않게 상태가 변경될 수 있다. 만약 누군가에 의해 num의 값이 변경되면 오류로 이어진다.

이것을 클로저를 이용하면 오류를 방지할 수 있다.

클로저 활용 (1)

increase.js

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 변수에 할당된 함수는 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하는 클로저다.

즉시 실행 함수는 호출된 이후 소멸하지만 반환한 클로저는 increase 변수에 할당되어 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하고 있다. 따라서 카운트 변수 num을 언제 어디서 호출하든지 참조하고 변경할 수 있다.

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

클로저 활용 (2)

couter.js

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

  // 클로저인 메서드를 갖는 객체를 반환한다.
  // 객체 리터럴은 스코프를 만들지 않는다.
  // 따라서 아래 메서드들의 상위 스코프는 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경이다.
  return {
    increase() {
      num += 1;
    },

    decrease() {
      num -= 1;
    },

    value() {
      return num;
    }
  };
}());

console.log(counter.value()); // 0

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

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

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

위 예제에서 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.

예제의 increase, decrease 메서드의 상위 스코프는 increase, decrease 메서드가 평가되는 시점에 실행 중인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경이다. 따라서 increase, decrease 메서드는 언제 어디서 호출되든 즉시 실행 함수의 스코프의 식별자를 참조할 수 있다.
이때 counter를 통해 변수 num을 직접 접근할 수는 없다. 즉 은닉된 변수다.

변수 값은 언제든지 변경될 수 있어 오류 발생의 원인이 될 수 있다. 외부 상태 변경이나 가변 데이터를 피하고 불변셩을 지향하는 함수형 프로그래밍에서 부수 효과를 최대한 억제하여 오류를 피하고 프로그램의 안정성을 높이기 위해 클로저는 적극적으로 사용된다.

클로저 활용 (3)

couter.js

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

  return {
    increase() {
      num += 1;
    },

    decrease() {
      num -= 1;
    },

    value() {
      return num;
    }
  };
};

const counter1 = Counter();
const counter2 = Counter();

counter1.increase();
counter1.increase();
counter1.decrease();
counter1.increase();
console.log(counter1.value()); // 2

counter2.increase();
counter2.decrease();
console.log(counter2.value()); // 0
console.log(counter1.value()); // 2

위 예제는 (2) 예제랑 다르게 즉시 실행 함수가 아닌 일반 함수가 객체 리터럴을 반환한다.
이러한 방식은 마치 class를 이용한 객체를 생성한 방식과 같다. class를 이용해 여러 개의 객체를 만들어 사용하는 것 처럼 counter1과 counter2는 서로 독립적인 상태를 유지하며 각자의 상태를 조작할 수 있다.
이는 Counter를 호출할 때 새로운 실행 컨텍스트가 생성된 새로운 함수 객체를 생성하여 반환하기 때문에 독립적인 렉시컬 환경을 갖기 때문이다.

클로저 활용 (4)

counter.js

// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수
// 변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
function makeCounter(aux) {
  let counter = 0;

  // 클로저를 반환
  return function () {
    counter = aux(counter);
    return counter;
  };
}

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

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

// increaser 함수와는 별개의 독립된 렉시컬 환경을 갖기 때문에 카운터 상태가 연동하지 않는다.
const decreaser = makeCounter(decrease);  // (2)
console.log(decreaser()); // -1
console.log(decreaser()); // -2

makeCounter 함수는 보조 함수를 인자로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수다. makeCounter 함수가 반환하는 함수는 자신이 생성됐을 때의 렉시컬 환경인 makeCounter 함수의 스코프에 속한 counter 변수를 기억하는 클로저다.

이때 makeCounter 함수를 호출해 함수를 반환할 떄 반환된 함수는 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 갖는다. 이는 함수를 호출하면 그때마다 새로운 makeCounter 함수 실행 컨텍스트 렉시컬 환경이 생성되기 떄문이다.

(1)에서 makeCounter 함수를 호출하면 새로운 makeCounter 함수의 실행 컨텍스트가 생성된다. 그리고 makeCounter 함수는 함수 객체를 생성하여 반환한 후 소멸된다. makeCounter 함수가 반환한 함수는 makeCounter 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 기억하는 클로저이며, 전역 변수인 increaser에 할당된다.

(2)에서 makeCounter 함수를 호출하면 새로운 makeCounter 함수의 실행 컨텍스트가 생성된다. 그리고 makeCounter 새로운 함수 객체를 생성하여 반환한 후 소멸된다. 반환한 함수는 makeCounter 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 기억하는 클로저이며, decreaser에 할당된다.

독립된 카운터가 아닌 연동하여 증감이 가능한 카운터를 만들려면 렉시컬 환경을 공유하는 클로저를 만들어야 한다. => 즉시 실행 함수로 감싸 한번 makeCounter가 한 번만 호출되도록 한다.

counter.js

const counter = (function () {
  let counter = 0;

  // 함수를 인수로 전달받는 클로저를 반환
  return function (aux) {
    counter = aux(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

클로저의 메모리 점유

클로저는 상위 스코프를 기억한다. 따라서 불필요한 메모리의 점유가 있다고 생각할 수 있다. 하지만 모던 자바스크립트 엔진은 최적화가 잘 되어 있어 클로저가 참조하고 있지 않는 식별자는 기억하지 않는다. 즉, 클로저의 메모리 점유는 필요한 것을 기억하기 위한 것이므로 낭비라고 볼 수 없다.

closure.js

function outer() {
  const x = 'outer x';
  const y = 'outer y';
  
  function inner() {
    console.log(x); 
  }

  return inner;
}

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

위 예제에서 내부 함수 inner는 상위 스코프의 식별자 x만을 참조하여 대부분의 모던 브라우저는 최적화를 통해 참조하고 있는 식별자 x만을 기억한다.

요약

클로저는 함수가 선언될 때의 렉시컬 환경을 기억하여 함수의 외부 변수에 접근할 수 있도록 하는 것을 의미한다.
일반적으로 함수가 상위 스코프의 변수를 참조하고, 내부 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우를 가리킨다.
상위 스코프에 대한 참조를 유지하며, 함수가 상위 스코프의 변수를 사용할 때 해당 변수는 메모리에서 해제되지 않는다.
이를 이용해 상태를 은닉하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용해 상태를 안전하게 변경하고 유지할 수 있다.

렉시컬 환경은 스코프를 구분하여 식별자를 저장하고 관리한다. 각 함수 호출이나 블록 실행에 대한 별도의 렉시컬 환경이 생성되며, 현재 스코프와 상위 스코프에 대한 참조 등을 포함한다.
렉시컬 환경 객체는 환경 레코드(지역 변수, this 등 기타 정보)와 외부 렉시컬 환경(외부 코드) 두 부분으로 구성된다.
이론상의 객체로 직접 렉시컬 환경을 얻거나 조작하는 것은 불가능하다.

렉시컬 스코프는 함수가 선언되는 위치에 따라 상위 스코프에 대한 참조를 결정하는 스코프의 형태를 의미한다. 함수가 언제 호출됐는지에 따라 스코프가 변하지 않고 어디에 선언되었는지에 따라 스코프가 결정된다.(정적 스코프)

참고 자료

MDN
모던 자바스크립트 Deep Dive 서적

자바스크립트 클로저 closure

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