클로저는 사실 자바스크립트 고유의 개념이 아니다. 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어 (하스켈, 리스프, 얼랭, 스칼라 등)에서 사용되는 중요한 특성이다. MDN에서는 클로저에 대해 다음과 같이 정의하고 있다.
클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.
이것만 봐선 잘 와닿지 않는다.
const x = 1;
function outer() {
const x = 10;
function inner() {
console.log(x); // 10
}
inner();
}
outer();
outer 함수 내부에서 중첩 함수 inner 가 정의되고 호출되었다. 이때 중첩 함수 inner의 상위 스코프는 outer의 스코프이다. 따라서 중첩 함수 inner 내부에서 자신을 포함하고 있는 외부 함수 outer의 x 변수에 접근할 수 있다. 만약 inner 함수가 중첩 함수가 아니라면 inner 함수를 outer 함수 내부에서 호출하더라도 outer 함수의 변수에 접근할 수 없다.
const x = 1;
function outer() {
const x = 10;
inner()
}
function inner() {
console.log(x); // 1
}
outer();
이 같은 현상이 일어나는 이유는 렉시컬 스코프를 따르기 때문이다. inner의 렉시컬 스코프엔 x의 변수가 없기 때문에 그 상위 스코프인 전역의 렉시컬 스코프에서 x변수를 찾고 x에 1이 들어간다. 자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의했는지에 따라서 상위 스코프를 결정한다. 이를 렉시컬 스코프라 한다. 즉 함수를 어디서 호출하는지는 함수의 상위 스코프 결정에 어떠한 영향도 주지 못한다. 이 개념을 잊지 말자!
스코프의 실체는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다. 이 렉시컬 환경은 자신의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결된다. 이것이 바로 스코프 체인이다.
렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경에 의해 결정된다. 이것이 렉시컬 스코프이다.
함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]
함수는 정의된 환경과 호출되는 환경은 다를 수 있다. 그렇기 때문에 자신이 정의된 환경(함수 정의가 위치하는 스코프가 바로 상위 스코프이다.) 즉 상위 스코프를 기억해야 한다. 이를 위해 함수는 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장한다. 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프이다. 또한 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장될 참조값이다.
클로저와 렉시컬 환경
const x = 1;
// 1
function outer() {
const x = 10;
const inner = function() { console.log(x) }; // 2
return inner;
}
// outer 함수를 호출하면 중첩함수 inner를 반환한다.
// 그리고 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거된다.
const innerFunc = outer(); // 3
innerFunc(); // 4 -> 10출력
outer 함수를 호출(3) 하면 outer 함수는 중첩 함수 inner를 반환하고 생명주기를 마감한다. 이때 outer 함수의 지역변수 x와 변수 값 10을 저장하고 있던 outer 함수의 실행 컨텍스트가 제거되었으므로 outer 함수의 지역 변수 x 또한 생명 주기를 마감한다. 따라서 outer 함수의 지역 변수 x는 더는 유효하지 않게 되어 x 변수에 접근할 수 있는 방법은 없어 보인다.
하지만 위 소스 실행결과(4)를 보면 outer 함수의 지역 변수 x의 값인 10이다. 이미 생명 주기가 종료되었지만 동작하고 있다. 이처럼 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다. 이러한 중첩 함수를 클로저라고 한다.
위 소스에서 outer 함수를 호출하면 outer 함수의 렉시컬 환경이 생성되고, outer 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장된 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 "렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경"에 대한 참조에 할당한다. 그리고 중첩 함수 inner가 평가된다. (inner 함수는 함수 표현식으로 정의했기 때문에 런타임에 평가된다.) 이때 중첩함수 inner는 자신의 [[Environment]] 내부 슬롯에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 outer 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 저장한다.
outer 함수의 실행이 종료하면 inner 함수를 반환하면서 outer 함수의 생명 주기가 종료된다. 이때 outer 함수의 실행 컨텍스트는 제거되지만 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸하는 것은 아니다. 왜냐하면 outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[Environment]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있고, inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않기 때문이다.
중첩 함수 inner는 외부 함수 outer보다 더 오래 생존했다. 함수는 외부 함수의 생존 여부와 상관없이 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억한다. inner 내부에서는 상위 스코프를 참조할 수 있으므로 상위 스코프의 식별자를 참조할 수 있고 식별자의 값을 변경할 수 있다.
function foo() {
const x = 1;
const y = 2;
// 클로저
// 중첩 함수 bar는 외부 함수보다 더 요래 유지되며 상위 스코프의 식별자를 참조한다.
function bar() {
console.log(x);
}
return bar;
}
const bar = foo();
bar();
위 소스코드의 bar는 상위 스코프의 식별자를 참조하므로 클로저이다. 또한 외부 함수의 외부로 반환되어 외부 함수보다 더 오래 살아남는다. 다만 클로저인 중첩 함수 bar는 상위 스코프의 x, y 식별자 중 x만 참조하고 있다. 이런 경우 대부분 모던 브라우저는 최적화를 통해 상위 스코프 식별자 중에서 클로저가 참조하고 있는 식별자만 기억한다 (x만 기억). 클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수 (foo의 x)를 자유 변수라고 부른다. 클로저란? 함수가 자유 변수에 대해 닫혀있다 -> 자유 변수에 묶여있는 함수라고 할 수 있다.
클로저의 활용
클로저는 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다. 즉 상태가 의도치 않게 변경되지 않도록 상태를 안전하게 은닉하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다. 함수가 호출될 때마다 호출된 횟수를 누적하여 출력하는 카운터를 만들어보자. 이 소스의 num 변수가 바로 안전하게 변경하고 유지해야 하는 상태이다.
// 카운트 상태 변수
let num = 0;
// 카운트 상태 변경 함수
const increase = function() {
// 카운트 상태를 1 증가시킴
return ++num;
}
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3
위 코드는 잘 동작하지만 오류를 발생시킬 가능성을 내포하고 있는 코드이다. 그 이유는 다음과 같다.
- 카운트 상태 (num)는 increase 함수가 호출되기 전까지 변경되지 않고 유지되어야 한다.
- 이를 위해 카운트 상태는 increase 함수만이 변경할 수 있어야 한다.
하지만 카운트 상태는 전역 변수로 관리되고 있기 때문에 언제든지 누구나 접근 및 변경이 가능해서 오류로 이어질 수 있다. 그렇다면 num을 increase 함수의 지역 변수로 바꾸어 보자
const increase = function() {
let num = 0;
return ++num;
};
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
num을 increase 함수의 지역변수로 바꿔 의도치 않은 상태 변경은 방지했지만 호출될 때마다 num은 다시 0으로 초기화되기 때문에 이전 상태를 유지하지 못한다. 이전 상태를 유지하도록 클로저를 이용해보자.
const increase = (function () {
let num = 0;
// 클로저
return function() {
++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 소멸되지만 즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 increase 변수에 할당되어 호출된다. 이때 클로저는 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하고 있다 (num에 접근이 가능하다.) 따라서 num에 언제 어디서 호출하든지 참조하고 변경 가능하다. num 변수는 외부에서 직접 접근하지 못하는 은닉된 private 변수이므로 안전한 프로그래밍이 가능하다.
const counter = (function () {
let num = 0;
// 클로저인 메서드를 갖는 객체를 반환
// 객체 리터럴은 스코프를 만들지 않는다.
// 따라서 아래 메서드들의 상위 스코프는 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경이다.
return {
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
위 코드의 즉시실행 함수가 반환하는 객체 리터럴은 즉시 실행 함수의 실행 단계에서 객체가 된다. 객체 리터럴의 중괄호는 코드 블록이 아니므로 별도의 스코프를 생성하지 않는다. increase, decrease 메서드의 상위 스코프는 increase, decrease 메서드가 평가되는 시점에 실행 중인 실행 컨텍스트인 즉시 실행 함수 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다. 그래서 즉시 실행 함수의 스코프 식별자를 참조할 수 있다.
함수형 프로그래밍에서 사용되는 클로저
// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수 이다.
// 이 함수는 자유변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
function makeCounter(predicate) {
// 카운트 상태를 유지하기 위한 자유변수
let counter = 0;
// 클로저를 반환
return function() {
// 인수로 전달받은 보조 함수에 상태 변경을 위임한다.
counter = predicate(counter);
return counter;
};
}
// 보조함수
function increase(n) {
return ++n;
}
function decrease(n) {
return --n;
}
// 함수로 함수를 생성한다.
// makeCounter 함수는 보조 함수를 인수로 받아 함수를 반환한다.
const increaser = makeCounter(increase);
console.log(increaser()); // 1
console.log(increaser()); // 2
// increaser 함수와는 별개의 독립된 렉시컬 환경을 갖기 때문에 카운터 상태가 연동하지 않는다.
const decreaser = makeCounter(decrease);
console.log(decreaser()); // -1
console.log(decreaser()); // -2
makeCounter 함수가 반환하는 함수는 자신이 생성되었을 때 렉시컬 환경인 makeCounter 함수의 스코프에 속한 counter 변수를 기억하는 클로저이다. makeCounter 함수는 인자로 전달받은 보조 함수를 합성하여 자신이 반환하는 함수의 동작을 변경할 수 있다. 이때 주의해야 할 것은 makeCounter 함수를 호출해 함수를 반환할 때 반환된 함수는 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 갖는다는 것이다. 이는 함수를 호출하면 그때마다 새로운 makeCounter 함수 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이 생성되기 때문이다.
즉, 전역 변수 increaser와 decreaser에 할당된 함수는 각각 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 갖기 때문에 카운트를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 공유하지 않아 증감이 연동되지 않는다. 연동되게 하려면 렉시컬 환경을 공유하는 클로저를 만들어야 한다. 그러기 위해선 makeCounter 함수를 두 번 호출하면 안 된다.
// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수 이다.
// 이 함수는 자유변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
const counter = (function() {
let counter = 0;
return function (predicate) {
counter = predicate(counter);
return counter;
};
}());
// 보조함수
function increase(n) {
return ++n;
}
function decrease(n) {
return --n;
}
// 보조 함수를 전달하여 호출한다
console.log(counter(increase)); // 1
console.log(counter(increase)); // 2
console.log(counter(decrease)); // 1
console.log(counter(decrease)); // 0
캡슐화와 정보 은닉
객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 동작을 나타내는 메서드를 하나로 묶는 것을 캡슐화라고 하고, 캡슐화는 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 사용하는데 이를 정보 은닉이라고 한다. 정보 은닉을 하면 외부의 적절치 못한 접근으로부터 객체의 상태가 변경되는 것을 방지하여 정보를 보호하고, 객체 간의 의존성, 결합도를 낮추는 효과가 있다.
function Person(name, age) {
this.name = name; // public
let _age = age; // private
// 인스턴스 메서드
this.sayHi = function() {
console.log(`My name is ${this.name}. I am ${_age}`)
};
}
const me = new Person('Kang', 31);
me.sayHi(); // My name is Kang. I am 31
console.log(me.name); // Kang
console.log(me._age); // undefined
const you = new Person('Kim', 26);
me.sayHi(); // My name is Kim. I am 26
console.log(me.name); // Kim
console.log(me._age); // undefined
위 코드의 name은 외부로 공개되어 있어서 자유롭게 참조하거나 변경할 수 있다. 하지만 _age 변수는 Person 생성자 함수의 지역변수 이므로 외부에서 참조할 수 없다. 또한 sayHi 메서드는 Person 객체가 생성될 때마다 중복 생성되기 때문에 중복 생성을 방지해야 한다.
function Person(name, age) {
this.name = name; // public
let _age = age; // private
}
Person.prototype.sayHi = function() {
console.log(`My name is ${this.name}. I am ${_age}`)
};
하지만 이럴 경우 Person.prototype.sayHi 에서 Person 생성자 함수의 지역변수인 _age에 접근할 수 없다. 따라서 즉시 실행 함수를 사용하여 하나의 함수 안으로 모아야 한다.
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(`My name is ${this.name}. I am ${_age}`);
}
// 생성자 함수를 반환
return Person;
}());
const me = new Person('Kang', 31);
me.sayHi();
const you = new Person('Kim', 26);
you.sayHi();
me.sayHi(); // My name is Kang. I am 26.
Person.prototype.sayHi 메서드는 즉시 실행 함수가 종료된 이후 호출된다. 하지만 Person 생성자 함수와 sayHi 메서드는 이미 종료되어 소멸한 즉시 실행 함수의 지역변수 _age를 참조할 수 있는 클로저이다. 그리고 Person 함수로 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 다음과 같이 _age 변수의 상태가 유지되지 않는다. 이는 Person.prototype.sayHi 메서드가 단 한번 생성되는 클로저 이기 때문이다.
Person.prototype.sayHi는 즉시 실행 함수가 호출될 때 생성된다. 이때 자신의 상위 스코프인 즉시실행 함수의 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경 참조를 [[Environment]]에 저장하여 기억한다. 따라서 Person 생성자 함수의 모든 인스턴스가 상속을 통해 호출할 수 있는 Person.prototype.sayHi의 상위 스코프는 어떤 인스턴스를 호출하더라도 하나의 동일한 상위 스코프를 사용하게 된다.
이처럼 자바스크립트는 완벽하게 정보 은닉을 지원하지 않는다. 하지만 2020년 5월 기준으로 TC39 프로세스의 stage3 에는 클래스에 private 필드를 정의할 수 있는 새로운 표준 사양이 제안되어 있다. 바로 private 필드의 선두에 # 을 붙여주는 것이다. 참조할 때도 마찬가지로 #을 붙여야 한다.
class Person {
// private 필드 정의
#name = '';
constructor(name) {
this.#name = name;
}
}
const me = new Person('Kang');
console.log(me.#name); // Uncaught SyntaxError: Private field '#name' must be declared in an enclosing class
이처럼 클래스 외부에서 private 필드에 직접 접근할 수 있는 방법은 없다. 하지만 접근자 프로퍼티를 사용하여 간접적으로는 접근 가능하다.
class Person {
// private 필드 정의
#name = '';
constructor(name) {
this.#name = name;
}
get name() {
return this.#name.trim();
}
}
const me = new Person('Kang');
console.log(me.#name); // Kang
또한 private 필드는 반드시 클래스 몸체에 정의해야한다. 만약에 직접적으로 constructor에 정의하면 에러가 발생한다.
자주 발생하는 실수
var funcs = []
for (var i = 0; i < 3; i ++) {
funcs[i] = function() { return i; }; // 1
}
for (var j = 0; j < funcs.length; j ++) {
console.log(funcs[j]()); // 2
}
이때 2번의 결괏값으로 0,1,2가 될 것을 기대할 수도 있지만 for 문의 변수 선언문에서 var로 선언한 i 변수는 블록 스코프가 아닌 함수 스코프를 갖기 때문에 전역 변수이다. 전역 변수 i에는 0,1,2가 순차적으로 할당된다. 따라서 funcs 배열의 요소로 추가한 함수를 호출하면 전역 변수 i를 참조하여 i의 값 3이 출력된다. 클로저를 사용하여 위 예제를 바꿔보면
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]());
}
1에서 즉시 실행 함수는 전역 변수 i에 현재 할당되어 있는 값을 인수로 전달받아 매개변수 id에 할당한 후 중첩 함수를 반환하고 종료된다. 즉시 실행 함수가 반환한 함수는 funcs 배열에 순차적으로 저장된다.
이때 즉시 실행 함수의 매개변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수의 상위 스코프에 존재한다. 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수는 자신의 상위 스코프 (즉시 실행 함수의 렉시컬 환경)를 기억하는 클로저이고, 매개변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수에 묶여있는 자유 변수가 되어 그 값이 유지된다.
더 간단하게 하려면 for 문에 var대신 let 키워드를 사용하면 해결된다.
for 문의 변수 선언문에서 let 키워드로 선언한 변수를 사용하면 for 문의 코드 블록이 반복 실행될 때마다 for 문 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경이 생성된다. 만약 for 문의 코드 블록 내에서 정의한 함수가 있다면 이 함수의 상위 스코프는 for 문의 코드 블록이 반복 실행될 때마다 생성된 for 문 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경이다.
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