[JavaScript] 클로저에 대해서 알아보자!!

클로저는 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어(에: 하스켈, 리스프, 얼랭, 스칼라 등)에서 사용되는 중요한 특성이다. 그렇기 때문에 클로저의 정의는 ECMAScript에 없다.

 

MDN 클로저 정의

A closure is the combination of a function and the lexical environment within which that function wasdeclared.
클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.

 

 

 

const x = 1;
 
function outerFunc() {
    const x = 10;
 
    function innerFunc() {
        console.log(x); // 10
    }
 
    innerFunc();
}
 
outerFunc();

innerFunc()의 상위 스코프는 outerFunc()의 스코프이다. 따라서 innerFunc() 내부에서 자신을 포함하고 있는 outerFunc()의 x 변수에 접근할 수 있다.

 

만약 중첩 함수가 아니라면 innerFunc()은 outerFunc()의 변수에 접근할 수 없다.

const x = 1;
 
function outerFunc() {
    const x = 10;
 
    innerFunc();
}
 
function innerFunc() {
    console.log(x); // 1
}
 
outerFunc();

 

 

 

 

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렉시컬 스코프

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

 

스코프의 실체는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다. 이 렉시컬 환경은 자신의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조(Outer Lexcical Environment Reference)"를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결된다.

 

렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경(위치)에 의해 결정된다.

 

 

 

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함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

렉시컬 스코프가 가능하려면 함수는 자신이 정의된 환경을 기억해야 한다. 이를 위해 함수는 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장한다.

 

이때 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]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 함수(또는 전역 코드)가 평가 또는 실행되고 있는 시점이며, 이때 현재 실행 중인 실행 컨텍스트는 상위 함수(또는 전역 코드)의 실행 컨텍스트이기 때문이다.

 

함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프다. 또한 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장될 참조값이다. 함수 객체는 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장한 렉시컬 환경의 참조, 즉 상위 스코프를 자신이 존재하는 한 기억한다.

const x = 1;
 
function foo () {
    const x = 10;
 
    // 상위 스코프는 함수 정의 환경(위치)에 따라 결정된다.
    // 함수 호출 위치와 상위 스코프는 아무런 관계가 없다.
    bar();
}
 
// 함수 bar는 자신의 상위 스코프, 즉 전역 렉시컬 환경을 [[Environment]]에 저장하여 기억한다.
function bar () {
    console.log(x);
}
 
foo(); // 1
bar(); // 1
 

 

foo() 와 bar()는 모두 전역에서 함수 선언문으로 정의되었다. 함수 객체가 생성될때 내부 슬롯 [[Environment]]에는 전역 렉시컬 환경의 참조가 저장된다.

 

함수가 호출되면 함수 내부로 코드의 제어권이 이동하고, 함수 코드를 평가하기 시작한다. 이때 함수 렉시컬 환경의 구성 요소인 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조가 할당된다.

 

 

 

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클로저와 렉시컬 환경

const x = 1;
 
// (1)
function outer() {
    const x = 10;
    const inner = function () { console.log(x); } // (2)
 
    return inner;
}
 
// outer 함수를 호출하면 중첩 함수 inner를 반환한다.
// 그리고 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거된다.
const innerFunc = outer(); // (3)
innerFunc(); // (4) 10

outer() 호출((3))하면 outer 함수는 inner() 반환하고, 생명 주기(life cycle)를 마감한다. 즉 outer()가 종료되면 실행 컨텍스트 스택에서 제거(pop)된다. 따라서 outer() 의 지역 변수 x는 더이상 유효해지지 않는다. 그러나 (4)번을 보면 10이 출력된다.

 

이처럼 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다. 이러한 중첩 함수를 클로저(closure)라고 부른다.

 

그리고 inner() 의 [[Environment]]에 outer() 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 저장한다. 그렇기 때문에 outer()가 종료되어도 실행 컨텍스트 스택에서 제거되지만 outer() 렉시컬 환경까지 소멸하는 것은 아니다.

 

outer() 는 inner()의 [[Environment]]에 참조되고 있고 inner()는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않는다.

 

클로저는 중첩 함수가 상위 스코프의 식별자를 참조하고 있고 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정하는 것이 일반적이다. 다만 위의 예제에서 x를 참조하는 경우 클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의변수를 자유 변수(free variable)라고 부른다. 클로저(closure)란 "함수가 자유 변수에 대해 닫혀있다(closed)"라는 의미다.

쉽게 "자유 변수에 묶여 있는 함수"라고 할 수 있다.

 

 

 

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클로저의 활용

클로저는 상태(state)를 안전하게 은닉(information hiding)하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다.

// 카운트 상태 변경 함수
const increase = (function () {
    // 카운트 상태 변수
    let num = 0;
 
    // 클로저
    return function () {
        // 카운터 상태를 1만큼 증가시킨다.
        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 클로저다. 따라서 즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 num을 언제 어디서 호출하든지 참조하고 변경할 수 있다.

 

즉시 실행 함수는 한 번만 실행되므로 increase가 호출될 때마다 num 변수가 재차 초기화될 일은 없을 것이다. 또한 num 변수는 외부에서 직접 접근할 수 없는 은닉된 private 변수이므로 전역 변수를 사용했을 때와 같이 의도되지 않은 변경을 걱정할 필요도 없기 때문에 더 안정적인 프로그래밍이 가능하다.

 

이처럼 클로저는 상태(state)가 의도치 않게 변경되지 않도록 안전하게 은닉(information hiding)하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하여 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다.

 

위에 예제를 증가 뿐만 아니라 감소하게도 발전시킬 수 있다.

// 카운트 상태 변경 함수
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 public하므로 은닉되지 않는다.
        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

 

반환되는 객체의 메서드도 함수 객체로 생성된다. 객체 리터럴의 중괄호는 코드 블록이 아니므로 별도의 스코프를 생성하지 않는다. increase() 와 decrease()는 즉시 실행 함수 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다. 따라서 어디서 호출되든지 상관없이 increase(), decrease() 는 즉시 실행 함수의 스코프의 식별자를 참조할 수 있다.

 

생성자 함수로 표현도 가능하다.

const Counter = (function () {
    // (1) 카운트 상태 변수
    let num = 0;
 
    function Counter() {
        // this.num = 0; // (2) 프로퍼티는 public하므로 은닉되지 않는다.
    }
 
    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 num((1))은 생성자 함수 Counter가 아니라 즉시 실행 함수 내에서 선언된 변수다.

만약 num이 생성자 함수 Counter가 생성할 인스턴스의 프로퍼티라면((2)) 인스턴스를 통해 외부에서 접근이 자유로운 public 프로퍼티가 된다. 하지만 즉시 실행 함수 내에서 선언된 num 변수는 인스턴스를 통해 접근할 수 없으며, 즉시 실행 함수 외부에서도 접근할 수 없는 은닉된 변수다.

 

생성자 함수 Counter는 프로토타입을 통해 increase, decrease 메서드를 상속받는 인스턴스를 생성한다. 프로토타입을 통해 상속되는 프로토타입 메서드일지라도 즉시 실행 함수의 자유 변수 num을 참조할 수 있다. 다시 말해, num 변수의 값은 incerase, decrease 메서드만이 변경할 수 있다.

 

변수 값은 누군가에 의해 언제든지 변경될 수 있어 오류 발생의 근본적 원인이 될 수 있다. 외부 상태 변경이나 가변(mutable) 데이터를 피하고 불변성(immutability)을 지향하는 함수형 프로그래밍에서 부수 효과를 최대한 억제하여 오류를 피하고 프로그램의 안정성을 높이기 위해 클로저는 적극적으로 사용된다. 

 

 

함수형 프로그래밍에서 클로저를 활용하는 간단한 예제다.

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

 

makeCounter()는 보조 함수를 인자로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수다. counter 변수를 기억하는 클로저다.

makeCounter()는 인자로 전달받은 보조 함수를 합성하여 자신이 반환하는 함수의 동작을 변경할 수 있다.

주의할 점은 makeCounter()를 호출해 함수를 반환할 때 반환된 함수는 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 갖는다는 것이다.

함수를 호출하면 그때마다 새로운 makeCounter() 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이 생성되기 때문이다.

 

위 예제에서 전역 변수 increaser와 decreaser에 할당된 함수는 각각 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 갖기 때문에 자유 변수 counter를 공유하지 않는다.

 

이 문제를 해결하기 위해서는 makeCounter()를 두 번 호출하지 않으면서 렉시컬 환경을 공유하는 클로저로 만들어야 한다.

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

 

 

 

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캡슐화와 정보 은닉

캡슐화(encapsulation)는 객체의 상태(state)를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 동작(behavior)인 메서드를 하나로 묶는 것을 말한다.

 

캡슐화는 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 사용하기도 하는데 이를 정보 은닉(information giding)이라 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 결합도(coupling)를 낮추는 효과가 있다.

 

대부분의 객체지향 프로그래밍 언어는 클래스를 정의하고 그 클래스를 구성하는 멤버(프로퍼티와 메서드)에 대하여 public, private, protected 같은 접근 제한자(access modifier)를 선언하여공개 범위를 한정할 수 있다.

 

하지만 자바스크립트는 public, private, protected 같은 접근 제한자를 제공하지 않는다. 기본적으로 public이다.

 

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

name 프로퍼티는 public 하다. 하지만 _age 변수는 Person 객체의 지역 변수이므로 참조하거나 변경할 수 없기 때문에 private하다. 

 

sayHi 메서드를 프로토타입 메서드로 변경하여 중복 생성을 방지하고 즉시 실행 함수를 사용하여 Person 생성자 함수와 Person.prototype.sayHi 메서드를 하나의 함수 내로 모아 변경할 수 있다.

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 함수 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

 

위 패턴을 사용하면 public, private, protected 같은 접근 제한자를 제공하지 않는 자바스크립트에서도 정보 은닉이 가능한 것처럼 보인다. 하지만 Person.prototype.sayHi 메서드가 단 한 번 생성되는 클로저이기 때문에 _age 변수의 상태가 유지 되지 않는다.