브라우저 렌더링 과정 - Reflow Repaint, 그리고 성능 최적화

렌더링이란 HTML, CSS, JavaScript등 개발자가 작성한 문서를 브라우저에서 그래픽 형태로 출력하는 과정을 말합니다. 웹 개발을 하며 브라우저의 렌더링 과정을 정확하게 이해하고 있으면 어떻게 개발을 해야 좋은 성능을 내는지, 성능 최적화를 어떻게 해야하는지를 정확하게 판단할 수 있다고 생각합니다. 이번 포스팅을 통해 그 내용에 대해 알아보도록 하겠습니다.

렌더링 엔진

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대부분의 브라우저는 렌더링을 수행하는 렌더링 엔진(Rendering Engine)을 가지고 있습니다. 다만 모든 브라우저가 같은 렌더링 엔진을 사용하지는 않습니다. 파이어폭스는 게코(Gecko)를 사용하고 있고 사파리는 웹킷(Webkit)을 사용하고 있습니다. 크롬의 경우 웹킷을 사용하다가 웹킷을 Fork하여 블링크(Blink) 엔진을 자체적으로 구현하여 사용하고 있습니다.

 

각각의 렌더링 엔진들은 웹 표준에 따라서 개발자들이 작성한 문서를 브라우저에 보여주지만, 개발 진척도나 별도 규칙에 따라서 지원하는 표준이 다르거나 렌더링 알고리즘과 방식에 차이가 있을 수 있습니다. 따라서 각각 엔진마다 개발자가 의도하지 않게 웹페이지가 동작할 수 있습니다.

 

DevOps를 위한 웹 UI 테스트 환경 구성 예 - 출처 : CURVE 

따라서 모범적인(?) 프론트엔드 테스트 환경에서는 크롬, 파이어폭스 등 각 브라우저별로 자동 테스트를 수행하여 여러 브라우저의 호환성에 문제가 없는지 검사합니다.

 

렌더링 과정

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1. DOM(Document Object Model), CSSOM(CSS Object Model) 생성

가장 첫번째 단계는 서버로부터 받은 HTML, CSS를 다운로드 받습니다. 그리고 HTML, CSS파일은 단순한 텍스트이므로 연산과 관리가 유리하도록 Object Model로 만들게 됩니다. HTML CSS 파일은 각각 DOM Tree와 CSSOM으로 만들어집니다.

DOM(좌) CSSOM(우)을 시각화 한 그림 - 출처 : http://bit.ly/3137pmh

각 문서(HTML, CSS)가 어떻게 파싱되고 어떻게 DOM Tree가 되는지 자세한 과정은 Google 개발자 문서를 통해 확인할 수 있습니다.

 

여기서 좀더 TMI를 추가하자면 렌더링 엔진은 더 나은 사용자경험을 위해 가능한 빠르게 내용을 표시하게 만들어졌습니다. 따라서 모든 HTML 파싱이 끝나기도 전에 이후의 과정을 수행하여 미리 사용자에게 보여줄 수 있는 일부 내용들을 출력하게 됩니다. 

 

2. Render Tree 생성

DOM Tree와 CSSOM Tree가 만들어졌으면 그 다음으로는 이 둘을 이용하여 Render Tree를 생성합니다. 순수한 요소들의 구조와 텍스트만 존재하는 DOM Tree와는 달리 Render Tree에는 스타일 정보가 설정되어 있으며 실제 화면에 표현되는 노드들로만 구성됩니다.

Render Tree 구조도 - 출처 : http://bit.ly/2Okn0fG

그러면 여기서 각 요소에 스타일 정보들이 설정되어 있는건 이해할 수 있겠는데 실제 화면에 표현되는 노드들로만 구성된다는 이야기에 "모든 요소는 다 화면에 표현되는거 아닌가?" 라는 의문을 가지실 것 같습니다.

 

결론을 말하면 네, 아닙니다. 간단한 예로 display: none 속성이 설정된 노드는 화면에 어떠한 공간도 차지하지 않기 때문에 Render Tree를 만드는 과정에서 제외됩니다. 여기서 조금만 더 팁을 드리자면 visibility: invisible 은 display: none과 비슷하게 동작하지만, 공간은 차지하고 요소가 보이지 않게만 하기 때문에 Render Tree에 포함됩니다.

 

3. Layout

Layout 단계는 브라우저의 뷰포트(Viewport) 내에서 각 노드들의 정확한 위치와 크기를 계산합니다. 풀어서 얘기하자면 생성된 Render Tree 노드들이 가지고 있는 스타일과 속성에 따라서 브라우저 화면의 어느위치에 어느크기로 출력될지 계산하는 단계라고 할 수 있습니다. Layout 단계를 통해 %, vh, vw와 같이 상대적인 위치, 크기 속성은 실제 화면에 그려지는 pixel단위로 변환됩니다.

 

Viewport 에 상대적인 요소 연산 - 출처 : http://bit.ly/3137pmh

여기서 뷰포트(Viewport)란 그래픽이 표시되는 브라우저의 영역, 크기를 말합니다. 뷰포트는 모바일의 경우 디스플레이의 크기, PC의 경우 브라우저 창의 크기에 따라 달라집니다. 그리고 화면에 그려지는 각 요소들의 크기와 위치는 %, vh, vw와 같이 상대적으로 계산하여 그려지는 경우가 많기 때문에 viewport 크기가 달라질 경우 매번 계산을 다시해야 합니다.

4. Paint

Layout 계산이 완료되면 이제 요소들을 실제 화면을 그리게 됩니다. 이전 단계에서 이미 요소들의 위치와 크기, 스타일 계산이 완료된 Render Tree 를 이용해 실제 픽셀 값을 채워넣게 됩니다. 이 때 텍스트, 색, 이미지, 그림자 효과등이 모두 처리되어 그려집니다.

 

이 때 처리해야 하는 스타일이 복잡할수록 Paint 단계에 소요되는 시간이 늘어나게 됩니다. 간단한 예시로 단순한 단색 background-color의 경우 paint 속도가 빠르지만 그라데이션이나 그림자 효과등은 painting 소요시간이 비교적 더 오래 소요됩니다.

렌더링 최적화 - Reflow, Repaint 줄이기

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지금까지 웹 페이지가 렌더링되는 과정을 알아보았습니다. 그렇다면 웹 성능 최적화를 어떻게 할 수 있을까요? 이를 알려면 Reflow와 Repaint에 대해 먼저 짚고 넘어가야 합니다.

 

Reflow (Layout)

위에서 언급된 렌더링 과정을 거친 뒤에 최종적으로 페이지가 그려진다고 해서 렌더링 과정이 다 끝난것이 아닙니다. 어떠한 액션이나 이벤트에 따라 html 요소의 크기나 위치등 레이아웃 수치를 수정하면 그에 영향을 받는 자식 노드나 부모 노드들을 포함하여 Layout 과정을 다시 수행하게 됩니다. 이렇게 되면 Render Tree와 각 요소들의 크기와 위치를 다시 계산하게 됩니다. 이러한 과정을 Reflow라고 합니다.

 

// reflow 발생 예제
function reflow() { 
	document.getElementById('content').style.width = '600px';
}

 

Reflow가 일어나는 대표적인 경우는 아래와 같습니다.

- 페이지 초기 렌더링 시(최초 Layout 과정)

- 윈도우 리사이징 시 (Viewport 크기 변경시)

- 노드 추가 또는 제거

- 요소의 위치, 크기 변경 (left, top, margin, padding, border, width, height, 등..)

- 폰트 변경 과(텍스트 내용) 이미지 크기 변경(크기가 다른 이미지로 변경 시)

 

Repaint (Paint)

Reflow만 수행되면 실제 화면에 반영되지 않습니다. 위에서 언급된 렌더링 과정과 같이 Render Tree를 다시 화면에 그려주는 과정이 필요합니다. 결국은 Paint 단계가 다시 수행되는 것이며 이를 Repaint 라고 합니다.

 

하지만 무조건 Reflow가 일어나야 Repaint가 일어나는것은 아닙니다. background-color, visibility와 같이 레이아웃에는 영향을 주지 않는 스타일 속성이 변경되었을 때는 Reflow를 수행할 필요가 없기 때문에 Repaint만 수행하게 됩니다.

 

Reflow, Repaint 과정과 성능 개선 전략 - 출처 : http://bit.ly/2SQXLzY

Reflow, Repaint 줄이기

이번 포스팅에서 다룰 성능 최적화는 단순히 Reflow, Repaint 연산을 줄이는 방법에 대해 소개하고자 합니다. 아래 내용은 현재까지 조사된 부분만 소개하였습니다. 또한 실제 테스트해본 것이 아닌 이론적인 내용 및 발췌해 온 내용이므로 검증이 필요합니다. 하위 내용은 지속적으로 업데이트 하겠습니다.

 

1. 사용하지 않는 노드에는 visibilty: invisible 보다 display: none을 사용하기

visibility invisible은 레이아웃 공간을 차지하기 때문에 reflow의 대상이 됩니다. 하지만  display none은 Layout 공간을 차지하지 않아 Render Tree에서 아예 제외됩니다.

 

2. Reflow, Repaint 가 발생하는 속성 사용 피하기

아래는 각각 Reflow, Repaint가 일어나는 CSS 속성들 입니다. Reflow가 일어나면 Repaint는 필연적으로 일어나야 하기 때문에 가능하다면 Reflow가 발생하는 속성보다 Repaint 만 발생하는 속성을 사용하는것이 좋습니다.

 

Reflow가 일어나는 대표적인 속성

position	width	height	left	top
right	bottom	margin	padding	border
border-width	clear	display	float	font-family
font-size	font-weight	line-height	min-height	overflow
text-align	vertical-align	white-space	....

 

Repaint가 일어나는 대표적인 속성

background	background-image	background-position	background-repeat	background-size
border-radius	border-style	box-shadow	color	line-style
outline	outline-color	outline-style	outline-width	text-decoration
visibility	....

또한 Reflow Repaint가 일어나지 않는 transform, opacitiy와 같은 속성도 있습니다. 따라서 left, right, width, height 보다 transform을, visibility/display 보다 opacitiy를 사용하는 것이 성능 개선에 도움이 됩니다.

(Repaint가 일어나지 않는 원리에 대해서는 차후 포스팅에서 다루도록 하겠습니다)

 

3. 영향을 주는 노드 줄이기

Javascript + Css를 조합하여 애니메이션이 많거나 레이아웃 변화가 많은 요소의 경우 position을 absolute 또는 fixed를 사용하여 영향을 받는 주변 노드들을 줄일 수 있습니다. fixed와 같이 영향을 받는 노드가 전혀 없는 경우 reflow과정이 전혀 필요가 없어지기 때문에 Repaint 연산비용만 들게 됩니다.

 

또다른 방법은 애니메이션 시작시 요소를 absolute, fixed로 변경 후 애니메이션이 종료되었을 때 원상복구 하는 방법도 Reflow, Repaint 연산을 줄이는대에 도움이 됩니다.

 

4. 프레임 줄이기

단순히 생각하면 0.1초에 1px씩 이동하는 요소보다 3px씩 이동하는 요소가 Reflow, Repaint 연산비용이 3배가 줄어든다고 볼 수 있습니다. 따라서 부드러운 효과를 조금 줄여 성능을 개선할 수 있습니다.

React의 Virtual DOM, Angular Change Detector는 왜 필요한가?

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React나 Angular를 쓰면 웹 페이지의 성능이 매우 빨라진다고 들었을 거라 생각합니다. 저 역시도 원리는 모르지만 React나 Aangular가 순수하게 작성된 웹페이지보다 성능이 좋고 빠르다고 알고있었습니다. 이번 글을 정리하면서 원리가 무엇일까 궁금증이 들어 이를 해결하기 위해 간단히 정리해보고자 합니다.

 

일반적으로 dom에 접근하여 여러번의 속성 변화, 여러번의 스타일 변화를 수행하면 그에따라 여러번의 Reflow, Repaint가 발생하게 됩니다. 하지만 Virtual DOM은 이렇게 변화가 일어나 Reflow, Repaint가 필요한 것들을 한번에 묶어서 dom에 전달하게 됩니다. 따라서 처리되는 Reflow, Repaint의 규모가 커질 수는 있지만 한번만 연산을 수행하게 됩니다. 이를 통해 여러번 Reflow, Repaint를 수행하며 연산이 반복적으로 일어나는 부분이 줄어들어 성능이 개선됩니다.

 

물론 프레임워크 없이 순수한 JavaScript로 똑같은 알고리즘을 구현할 수 있겠지만 실제로 구현하기에는 매우 어렵기 때문에 React, Angular가 이를 대신해주어 인기를 얻었다 생각합니다. 해당 내용은 velopert님의 블로그에서 참조한 내용이며 링크를 클릭하시면 좀더 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.

마무리

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웹 브라우저의 성능이 매우 뛰어나기 때문에 대부분의 경우 크게 성능 개선을 고려해야할 필요성을 느끼지 못합니다. 저 역시도 마찬가지였습니다. 하지만 프론트엔드 개발을 하며 다양하고 복잡한 요구사항에 대응해야 하는 경우가 많았고, 화면이 실시간으로, 수 많은 변경이 빠르게 일어나야 하는 경우를 마주하기도 하였습니다.

 

지금 당장은 필요하지 않더라도 이러한 기본적이고 기반이 되는 지식들을 학습해 두면 차후에 필요할 때 빠르고 능숙하게 대응할 수 있으리라 생각합니다. 또한 저도 공부하며 정리한 내용이라 정확하지 않거나 보충이 필요한 부분이 많을거라 생각됩니다. 적극적인 피드백 환영합니다!

참고 자료

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렌더링 트리 생성, 레이아웃 및 페인트  |  Web  |  Google Developers

Reflow or Repaint(or ReDraw)과정 설명 및 최적화 방법

[자바스크립트] 브라우저 렌더링

FrontEnd 개발자가 수행하는 성능 개선 작업

[번역] 리액트에 대해서 그 누구도 제대로 설명하기 어려운 것 – 왜 Virtual DOM 인가? | VELOPERT.LOG