关于javascript:绝对是讲的最清楚的NodeJS模块系统

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NodeJS 目前有两个零碎：一套是 CommonJS(简称 CJS)，另一套是 ECMAScript modules(简称 ESM); 本篇内容次要三个话题：

  1. CommonJS 的外部原理
  2. NodeJS 平台的 ESM 模块零碎
  3. CommonJS 与 ESM 的区别；如何在两套零碎进行转换
    首先讲讲为什么要有模块零碎

为什么要有模块零碎

一门好的语言肯定要有模块零碎，因为它能为咱们解决工程中遇到的根本需要

  • 把性能进行模块拆分，可能让代码更具备条理，更容易了解，可能让咱们独自开发并测试各个子模块的性能
  • 可能对性能进行封装，而后再其余模块可能间接引入应用，进步复用性
  • 实现封装：只须要对外提供简略的输入输出文档，外部实现可能对外屏蔽，缩小了解老本
  • 治理依赖关系：好的模块零碎可能让开发者依据现有的第三方模块，轻松的构建其余模块。另外模块零碎可能让用户简略引入本人想要的模块，并且把依赖链上的模块进行引入
    刚开始的时候，JavaScript 并没有好的模块零碎，页面次要是通过多个 script 标签引入不同的资源。然而随着零碎的逐步复杂化，传统的 script 标签模式不能满足业务需要，所以才开始打算定义一套模块零碎，有 AMD,UMD 等等
    NodeJS 是运行在后盾的一门服务端语言，绝对于浏览器的 html，不足 script 标签来引入文件，齐全依赖本地文件系统的 js 文件。于是 NodeJS 依照 CommonJS 标准实现了一套模块零碎
    2015 年 ES2015 标准公布，到了这个时候，JS 才对模块零碎有了正式规范，依照这种规范打造的模块零碎叫作 ESM 零碎，他让浏览器和服务端在模块的治理形式上更加统一

CommonJS 模块

CommonJS 布局中有两个根本理念:

  • 用户能够通过 requeire 函数，引入本地文件系统中的某个模块

  • 通过 exports 和 module.exports 两个非凡变量，对外公布能力

    模块加载器

    上面来简略实现一个简略的模块加载器
    首先是加载模块内容的函数，咱们把这个函数放在公有作用域里边防止净化全局环境，而后 eval 运行该函数

    function loadModule(filname, module, require) {
const wrappedSrc = `
  (function (module, exports, require) {${fs.readFileSync(filename, 'utf-8')}
  })(module, module.exports, require)
`
eval(wrappedSrc)
}

    在代码中咱们通过同步办法 readFileSync 来读取了模块内容。一般来说，在调用文件系统 API 时，不应该应用同步版本，然而此处的确是应用了这个形式，Commonjs 通过同步操作，来保障多个模块可能装置失常的依赖程序失去引入
    当初在实现 require 函数

    function require(moduleName) {const id = require.resolve(moduleName);
if (require.cache[id]) {return require.cache[id].exports
}

// 模块的元数据

const module = {exports: {},
  id,
}

require.cache[id] = module;

loadModule(id, module, require);

// 返回导出的变量
return module.exports
}

require.cache = {};
require.resolve = (moduleName) => {// 依据 ModuleName 解析残缺的模块 ID}

    下面实现了一个简略的 require 函数，这个自制的模块零碎有几个不走须要解释

  • 输出模块的 ModuleName 当前，首先要解析出模块的残缺门路(如何解析前面会讲到)，而后把这个后果保留在 id 的变量之中
  • 如果该模块曾经被加载过了，会立即返回缓存中的后果
  • 如果该模板没有被加载过，那么就配置一套环境。具体来说，先创立一个 module 变量，让他蕴含一个 exports 的属性。这个对象的内容，将由模块在导出 API 时所应用的的那些代码来填充
  • 将 module 对象缓存起来
  • 执行 loadModule 函数，传入刚建设的 module 对象，通过函数将另外一个模块的内容进行挂载

  • 返回另外模块的导出内容

    模块解析算法

    在后面提到解析模块的残缺门路，咱们通过传入模块名，模块解析函数可能返回模块的对应的残缺门路，接下来通过门路来加载对应模块的代码，并用这个门路来标识模块的身份。resolve函数所用的解析函数次要是解决以下三种状况

  • 要加载的是不是文件模块? 如果 moduleName 以 / 结尾，那就视为一条绝对路径，加载时只须要装置该门路原样返回即可。如果 moduleName 以 ./ 结尾，那么就当成一条相对路径，这样相对路径是从申请载入该模块的这个目录算起的
  • 要加载的是不是外围模块 如果moduleName 不是以 / 或者 ./ 结尾，那么算法会首先尝试在 NodeJS 的外围模块去寻找

  • 要加载的是不是包模块 如果没有找到moduleName 匹配的外围模块，那就从收回加载申请的这个模块开始，逐层向上搜查名为 node_modules 的陌路，看看里边有没有可能与 moduleName 匹配的模块，如果有就载入该模块。如果还没有，就沿着目录持续线上走，并在相应的 node_modules 目录中搜查，始终到文件系统的根目录
    通过这种形式就能实现两个模块依赖不同版本的包，然而依然可能失常加载
    例如以下目录构造:

    myApp
  - index.js
  - node_modules
      - depA
          - index.js
      - depB
          - index.js
          - node_modules
              - depA
      - depC
          - index.js
          - node_modules
              - depA

    在上述例子中尽管 myApp、depB、depC 都依赖了 depA 然而加载进来的的确不同的模块。比方：

  • 在 /myApp/index.js 中，加载的起源是/myApp/node_modules/depA
  • 在/myApp/node_modules/depB/index.js, 加载的是/myApp/node_modules/depB/node_modules/depA

  • 在/myApp/node_modules/depC/index.js, 加载的是/myApp/node_modules/depC/node_modules/depA
    NodeJs 之所以可能把依赖关系治理好，就因为它背地有模块解析算法这样一个外围的局部，可能治理上千个包，而不会发生冲突或呈现版本不兼容的问题

    循环依赖

    很多人感觉循环依赖是实践上的设计问题，然而这种问题很可能呈现在理论我的项目中，所以应该晓得 CommonJS 如何解决这种状况的。是看之前实现的 require 函数就可能意识到其中的危险。上面通过一个例子来解说

    有个 mian.js 的模块，须要依赖了 a.js 和 b.js 两个模块，同时 a.js 须要依赖 b.js，然而 b.js 又反过来依赖了 a.js，这就造成了循环依赖，上面是源代码：

    // a.js
exports.loaded = false;
const b = require('./b');
module.exports = {
b,
loaded: true
}
// b.js
exports.loaded = false;
const a = require('./a')
module.exports = {
a,
loaded: false
}
// main.js
const a = require('./a');
const b = require('./b');
console.log('A ->', JSON.stringify(a))
console.log('B ->', JSON.stringify(b))

    运行 main.js 会失去以下后果


从后果能够看到，CommonJS 在循环依赖所引发的危险。b 模块导入 a 模块的时候，内容并不是残缺的，具体来说他只是反馈了 b.js 模块申请 a.js 模块时，该模块所处的状态，而无奈反馈 a.js 模块最终加载结束的一个状态
上面用一个示例图来示意这个过程

上面是具体的流程解释

  1. 整个流程从 main.js 开始，这个模块一开始开始导入 a.js 模块
  2. a.js 首先要做的，是导出一个名为 loaded 的值，并把该值设为 false
  3. a.js 模块要求导入 b.js 模块
  4. 与 a.js 相似，b.js 首先也是导出 loaded 为 false 的变量
  5. b.js 继续执行，须要导入 a.js
  6. 因为零碎曾经开始解决 a.js 模块了，所以 b.js 会把 a.js 曾经导出的内容，立刻复制到本模块中
  7. b.js 会把本人导出的 loaded 值改为 false
  8. 因为 b 曾经执行实现，控制权会回到 a.js，他会把 b.js 模块的状态拷贝一份
  9. a.js 继续执行，批改导出值 loaded 为 true
  10. 最初就执行 main.js
    下面能够看到因为是同步执行，导致 b.js 导入的 a.js 模块并不是残缺的，无奈反馈 b.js 的最终应有的状态。
    在下面例子中能够看到，循环依赖所产生的的后果，这对大型项目来说，更加重大。

应用办法就比较简单了，篇幅无限就不在这篇文章中进行解说了

ESM

ESM 是 ECMAScript 2015 标准的一部分，这份标准给 Javascript 制订了对立的模块零碎，以适应各种执行环境。ESM 和 CommonJS 的一项重要区别，在于在 ES 模块是动态的，也就是说引入模块的语句必须要写在最顶层。另外受援用的模块只能应用常量字符串，不能依赖须要运行期动静求值的表达式。
比方咱们不能通过上面形式来引入 ES 模块

if (condition) {import module1 from 'module1'} else {import module2 from 'module2'}

而 CommonJS 可能依据条件导入不同的模块

let module = null
if (condition) {module = require("module1")
} else {module = require("module2")
}

看起来绝对 CommonJS 更严格了一些，然而正是因为这种动态引入机制，咱们可能对依赖关系进行动态剖析，去除不会执行的逻辑，这个就叫tree-shaking

模块加载过程

要想了解 ESM 零碎的运作原理，以及它解决循环依赖的关系，咱们须要明确零碎是如何解析并执行 Javascript 代码

载入模块的各个阶段

解释器的指标是构建一张图来形容所要载入的模块之间的依赖关系，这种图也叫做依赖图。
解释器正是通过这种依赖图，来判断模块的依赖关系，并决定本人应该依照什么程序去执行代码。例如咱们须要执行某个 js 文件，那么解释器会从入口开始，寻找所有的 import 语句，如果在寻找过程中又遇到了 import 语句，那就会以深度优先的形式递归，直到所有的代码都解析结束。
这个过程可细分为三个过程:

  1. 分析：找到所有的引入语句，并递归从相干文件中加载每个模块的内容
  2. 实例化：针对某个导出的实体，在内存中保留一个带名称的引入，但暂且不给他赋值。此时还要依据 import 和 export 关键字建设依赖关系，此时不执行 js 代码

  3. 执行：到了这个阶段，NodeJS 开始执行代码，这可能让理论导出的实体，可能取得理论的取值
    在 CommonJS 中，是边解析依赖，一边执行文件。所以当看到 require 的时候，就代表后面的代码曾经执行实现。因为 require 操作不肯定要在文件结尾，而是能够呈现在工作中央
    然而 ESM 零碎不同，这三个阶段是离开的，它必须先把依赖图残缺的结构进去，而后才开始执行代码

    循环依赖

    在之前提到的 CommonJS 循环依赖的例子，应用 ESM 的形式进行革新

    // a.js
import * as bModule from './b.js';
export let loaded = false;
export const b = bModule;
loaded = true;
// b.js
import * as aModule from './b.js';
export let loaded = false;
export const a = aModule;
loaded = true;
// main.js
import * as a from './a.js';
import * as b from './b.js';
console.log("A =>", a)
console.log("B =>", b)

    须要留神的是这里不能是用 JSON.strinfy 办法，因为这里应用了循环依赖

    在下面执行后果中能够看到 a.js 和 b.js 都可能残缺的察看到对方，不同与 CommonJS，有模块拿到的状态是不残缺的状态。

分析

上面来解析一下其中的过程：

已上图为例：

  1. 从 main.js 开始分析，首先发现了一条 import 语句，而后进入 a.js
  2. 从 a.js 开始执行，发现了另外一条 import 语句，执行 b.js
  3. 在 b.js 开始执行，发现了一条 import 语句，引入 a.js，因为之前 a.js 曾经被依赖过，咱们不会再去执行这条门路

  4. b.js 持续往下执行，发现没有别的 import 语句。回到 a.js 之后，也发现没有其余的 import 语句，而后间接回到 main.js 入口文件。持续往下执行，发现要求引入 b.js，然而这个模块之前被拜访过了，因而这条门路不会执行
    通过深度优先的形式，模块依赖关系图曾经造成一个树状图，而后解释器在通过这个依赖图执行代码
    在这个阶段，解释器要从入口点开始，开始剖析各模块之间的依赖关系。这个阶段解释器只关怀零碎的 import 语句，并把这些语句想要引入的模块给加载进来，并以深度优先的形式摸索依赖图。依照这种办法遍历依赖关系，失去一种树状的构造

    实例化

    在这一阶段，解释器会从树状构造的底部开始，逐步向顶部走。没走到一个模块，它就会寻找该模块所要导出的所有属性，并在内存中构建一张隐射表，以寄存此模块所要导出的属性名称与该属性行将领有的取值
    如下图所示：


从上图能够看到，模块是依照什么程序来实例化的

  1. 解释器首先从 b.js 模块开始，它发现这个模块要导出 loaded 和 a
  2. 而后解释器又剖析 a.js 模块，他发现这个模块要导出 loaded 和 b
  3. 最初剖析 main.js 模块，他发现这个模块不导出任何性能
  4. 实例化阶段所结构的这套 exports 隐射图，只记录导出的名称与该名称行将领有的值之间关系，至于这个值自身，既不在本阶段初始化。
    走完上述流程后，解析器还须要在执行一遍，这次他会把各模块所导出的名称与引入这些的那些模块关联起来，如下图所示:


这次的步骤为:

  1. 模块 b.js 要与模块 b.js 所导出的内容相连接，这条链接叫作 aModule
  2. 模块 a.js 要与模块 a.js 所导出的内容相连接，这条链接叫作 bModule
  3. 最初模块 main.js 要与模块 b.js 所导出的内容相连接

  4. 在这个阶段，所有的值并没有初始化，咱们只是建设相应的链接，可能让这些链接指向相应的值，至于值自身，须要等到下一阶段能力确定

    执行

    这这个阶段，零碎终于要执行每份文件里边的代码。他依照后序的深度优先程序，由下而上的拜访最后那张依赖图，并一一执行拜访到的文件。在本例中，main.js 会放在最初执行。这种执行后果保障了，程序在运行主逻辑的时候，各模块所导出的那些值，全副失去了初始化


以上图具体步骤为:

  1. 从 b.js 开始执行。首先要执行的这行代码，会把该模块所导出的 loaded 初始化为 false
  2. 接下来往下执行，会把 aModule 复制给 a，这个时候 a 拿到的是一个援用值，这个值就是 a.js 模块
  3. 而后设置 loaded 的值为 true。这个时候 b 模块所有的值都全副确定了下来
  4. 当初执行 a.js。首先初始化导出值 loaded 为 false
  5. 接下来将该模块导出的 b 属性值得到初始值，这个值是 bModule 的援用

  6. 最初把 loaded 的值改为 true。到了这里，咱们就把 a.js 模块零碎导出的这些属性所对应的值，最终确定了下来
    走完这些步骤后，零碎就能够正式执行 main.js 文件，这个时候，各模块所导出的属性全都曾经求值结束，因为零碎是通过援用而不是复制来引入模块，所以就算模块之间有循环依赖关系，每个模块还是可能残缺看到对方的最终状态

    CommonJS 与 ESM 的区别与交互应用

    这里讲 CommonJS 和 ESM 之间几个重要的区别，以及如何在必要的时候搭配应用这两种模块

    ESM 不反对 CommonJS 提供的某些援用

    CommonJS 提供一些要害援用，不受 ESM 反对，这包含 require、exports、module.exports、__filename、__diranme。如果在 ES 模块中应用这些，会到程序产生援用谬误的问题。
    在 ESM 零碎中，咱们能够通过 import.meta 这个非凡对象来获取一个援用，这个援用指的是以后文件的 URL。具体来说，就是通过 import.meta.url 这种写法，来获取以后模块的文件门路，这个门路相似于 file: ///path/to/current_module.js。咱们能够依据这条门路，结构出__filename 和__dirname所示意的那两条绝对路径:

    import {fileURLToPath} from 'url';
import {dirname} from 'path';
const __dirname = fileURLToPath(import.meta.url);
const __dirname = dirname(__filename);

    CommonJS 的 require 函数，也能够通过用上面这种办法，在 ESM 模块里边进行实现:

    import {createRequire} from 'module';
const require = createRequire(import.meta.url)

    当初，就能够在 ES 模块零碎的环境下，用这个 require() 函数来加载 Commonjs 模块

    在其中一个模块零碎中应用另外一个模块

    在下面提到，在 ESM 模块中应用 module.createRequire 函数来加载 commonJS 模块。除了这个办法，其实还能够通过 import 语言引入 CommonJS 模块。不过这种形式只会导出默认导出的内容;

    import pkg from 'commonJS-module'
import {method1} from 'commonJS-module' // 会报错

    然而反过来没方法，咱们没方法在 commonJS 中引入 ESM 模块
    此外 ESM 不反对把 json 文件当成模块进行引入，这在 commonjs 却能够轻松实现
    上面这种 import 语句，就会报错

    import json from 'data.json'

    如果须要引入 json 文件，还须要借助 createRequire 函数：

    import {createRequire} from 'module';
const require = createRequire(import.meta.url);
const data = require("./data.json");
console.log(data)

总结

本文次要解说了 NodeJS 中两种模块零碎是如何工作的，通过理解这些起因可能帮忙咱们编写防止一些难以排查的问题的 bug

正文完
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2022-01-16
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