Node.js精进(1)——模块化

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  模块化是一种将软件功能抽离成独立、可交互的软件设计技术,能促进大型应用程序和系统的构建。

  Node.js内置了两种模块系统,分别是默认的CommonJS模块和浏览器所支持的ECMAScript模块

  其中,ECMAScript模块是在8.5.0版本中新增的,后面又经过了几轮的迭代。本文若无特别说明,那么分析的都是CommonJS模块。

  顺便说一句,本系列分析的是Node.js的最新版本18.0.0,在Github上下载源码后,可以关注下面3个目录。

├── deps 第三方依赖
├── lib 对外暴露的标准库JavaScript源码,例如path、fs等
├── src 支撑Node运行的C/C++ 源码文件,例如HTTP解析、进程处理等

  本系列所有的示例源码都已上传至Github,点击此处获取。

  还有一点需要指出,Node.js的官方说明文档,是我目前为止遇到的比较符合人类阅读的文档。

一、基础语法

  先来分析一下CommonJS模块的基础语法,在Node.js中,可通过 module.exports 和 exports 来导出一个模块,再通过 require() 来导入一个模块。

  来看个简单的示例,先在 1.js 文件中声明 human 对象,然后使用 module.exports 导出,然后在 2.js 中导入 1.js 文件,打印输出。

// 1.js
const human = {
 name: 'strick'
}
module.exports = human;
// 2.js
const human = require('./1.js');
console.log(human); // { name: 'strick' }

  exports 是 module.exports 的快捷方式,但是不能对其直接赋值,像下面这样导出的就是一个空对象。

// 3.js
exports = {
 name: 'strick'
};
// 2.js
const human = require('./3.js');
console.log(human); // {}

  接下来换一种写法,为 exports 添加一个属性,这样就能正确导出。

// 3.js
exports.human = {
 name: 'strick'
};
// 2.js
const human = require('./3.js');
console.log(human); // { human: { name: 'strick' } }

  module.exports 导出了它所指向的对象,而 exports 导出的是对象的属性。

二、CommonJS原理

  在Node.js中,可分成两大类的模块:核心模块和第三方模块。

  其中核心模块又分成 built-in 模块和 native 模块,前者由C/C++编写,存在于源码的src目录中;后者由JavaScript编写,存在于lib目录中。

  注意,在 lib/internal/modules 目录中,可以查看两种模块系统的源码。

  所有非Node.js自带的模块统称为第三方模块,也就是任意文件,大家自己写的业务代码以及依赖的第三方应用库都属于此范畴。

  Node.js会使用模块封装器(如下所示)将模块中的代码包裹,形成模块作用域,这样就能避免模块之间的作用域污染。

(function(exports, require, module, \_\_filename, \_\_dirname) {
 // 模块代码实际存在于此处
});

  __filename可以得到当前模块的绝对路径加文件名。__dirname表示当前模块的目录名,也包含绝对路径,与 path.dirname() 相同。

console.log(\_\_filename);    // /Users/strick/code/web/node/01/4.js
console.log(\_\_dirname);     // /Users/strick/code/web/node/01

1)require()

  在lib/internal/modules/cjs/loader.js中声明了 require() 函数,requireDepth 记载了模块加载的深度。

Module.prototype.require = function(id) {
 validateString(id, 'id');    // 判断id变量是否是字符串类型
  if (id === '') {
 throw new ERR\_INVALID\_ARG\_VALUE('id', id, 'must be a non-empty string');
 }
 requireDepth++;
 try {
 return Module.\_load(id, this, /* isMain */ false);
 } finally {
 requireDepth--;
 }
};

  在 _load() 中实现了主要的加载逻辑,源码比较长,做了些删减,只列出了关键部分。

Module.\_load = function(request, parent, isMain) {
 // 解析模块的路径和名称
  const filename = Module.\_resolveFilename(request, parent, isMain);
 // 核心模块使用 node: 前缀,会绕过 require 缓存
  if (StringPrototypeStartsWith(filename, 'node:')) {
 const id = StringPrototypeSlice(filename, 5);    // Slice 'node:' prefix
    const module = loadNativeModule(id, request);
 if (!module?.canBeRequiredByUsers) {
 throw new ERR\_UNKNOWN\_BUILTIN\_MODULE(filename);
 }
 return module.exports;
 }
 // 第一种情况:如果缓存中已经存在此模块,那么返回模块的 exports 属性
  const cachedModule = Module.\_cache[filename];
 if (cachedModule !== undefined) {
 updateChildren(parent, cachedModule, true);
 if (!cachedModule.loaded) {
 const parseCachedModule = cjsParseCache.get(cachedModule);
 if (!parseCachedModule || parseCachedModule.loaded)
 return getExportsForCircularRequire(cachedModule);
 parseCachedModule.loaded = true;
 } else {
 return cachedModule.exports;
 }
 }
 // 第二种情况:如果是核心模块,那么调用 NativeModule.prototype.compileForPublicLoader() 返回模块的 exports 属性
  const mod = loadNativeModule(filename, request);
 if (mod?.canBeRequiredByUsers &&
 NativeModule.canBeRequiredWithoutScheme(filename)) {
 return mod.exports;
 }
 // 第三种情况:如果是第三方文件,那么创建一个新模块并加载文件内容,再将其保存到缓存中
  const module = cachedModule || new Module(filename, parent);
 Module.\_cache[filename] = module;
 return module.exports;
};

  在 _load() 方法中,会先判断 node: 前缀(在官方文档的核心模块中有过介绍),然后列出3种加载情况:

  1. 如果缓存中已经存在此模块,那么返回模块的 exports 属性。
  2. 如果是核心模块,那么调用 NativeModule.prototype.compileForPublicLoader() 返回模块的 exports 属性。
  3. 如果是第三方文件,那么创建一个新模块并加载文件内容,再将其保存到缓存中。

  Node.js在加载JS文件时,会先判断是否有缓存,然后读取文件内容,再调用 _compile() 进行编译,下面的源码也做了删减。

  还有另外两种 .json 和 .node 后缀的文件加载过程在此省略。

Module.\_extensions['.js'] = function(module, filename) {
 // 如果已经分析了源,那么它将被缓存
  const cached = cjsParseCache.get(module);
 let content;
 if (cached?.source) {
 content = cached.source;
 cached.source = undefined;
 } else {
 content = fs.readFileSync(filename, 'utf8');
 }
 module.\_compile(content, filename);
};

  在 _compile() 方法中会调用vm模块创建沙盒,再执行函数代码,源码比较长,在此省略。

  注意,虽然 vm 可以在V8虚拟机的上下文中编译和执行JavaScript代码,但是它比eval()更为安全,因为它运行的脚本无权访问外部作用域。

2)加载顺序

  经过上面的源码分析,可知加载顺序是先缓存,再核心模块,最后第三方模块,再详细一点的话就是:

  (1)缓存,模块在第一次加载后被缓存,也就是说,解析相同的文件,会返回完全相同的对象,除非修改require.cache

  (2)核心模块,部分核心模块已被编译成二进制文件,加载到了内存中。

  (3)文件模块的加载过程如下:

  1. 优先加载带' /'、'./' 或 '../' 路径前缀的模块。
  2. 若文件没有后缀,则依次添加 .js、.json 和 .node 尝试加载。
  3. 若模块没有路径来指示文件,则该模块必须是核心模块或从 node_modules 目录加载。
  4. 再找不到就抛出 MODULE_NOT_FOUND 错误。

  (4)目录作为模块的加载过程如下:

  1. 先将目录当成包来处理,查找 package.json 文件,读取 main 字段描述的入口文件。
  2. 若没有 package.json,main 字段缺失或无法解析时,尝试依次加载目录中的 index.js、index.json 或 index.node 文件。
  3. 如果这些尝试都失败,则抛出错误,Error: Cannot find module 'xx/xx.js'。

  (5)从 node_modules 目录加载,若不是核心模块并且没有路径前缀,那么从当前模块的目录向上查找,并添加 /node_modules,直至根目录为止。

  例如,在'/Users/strick/code/tmp.js' 中调用require('test.js'),那么将按以下顺序查找:

  1. /Users/strick/code/node_modules/test.js
  2. /Users/strick/node_modules/test.js
  3. /Users/node_modules/test.js
  4. /node_modules/test.js

  (6)从全局目录加载,一种官方不推荐的加载方式。

  如果 NODE_PATH 环境变量设置为以冒号分隔的绝对路径列表,则 Node.js 将在这些路径中搜索模块(如果它们在其他地方找不到)。

3)循环引用

  在Node.js中,当两个模块通过 require() 函数加载对方时,就形成了循环引用,但不会形成死循环。

  下面的示例来自于官网,对其做了些调整。

  先创建 a.js,在加载 b 模块之前,done 是 false,并且声明了一个 globalVar 变量,没有为其添加任何声明变量的关键字,在 b 模块加载完成后,done 赋值为 true。

console.log('a starting');
exports.done = false;
globalVar = '全局变量'; // 在a模块中声明的全局变量
const b = require('./b.js');
console.log('在a模块中, b.done = %j', b.done);
exports.done = true;
console.log('a done');

  再创建 b.js,在加载 a 模块之前,done 也是 false,在 a 模块加载完成之后,done 也赋值为 true。

console.log('b starting');
exports.done = false;
const a = require('./a.js');
console.log('在b模块中, a.done = %j', a.done);
console.log('globalVar: ', globalVar);
exports.done = true;
console.log('b done');

  最后创建 main.js,再加载 b 模块。

console.log('main starting');
const a = require('./a.js');    // 先导入a模块
const b = require('./b.js');    // 再导入b模块
console.log('在main模块中, a.done = %j, b.done = %j', a.done, b.done);

  最终的打印顺序如下所示,在 main.js 中,先加载 a 模块,而在 a 模块中会尝试加载 b 模块。那么在进入到 b 模块后,为了防止无限死循环,会导出 a 模块已执行完成的部分。

main starting
a starting
b starting
在b模块中, a.done = false
globalVar: 全局变量
b done
在a模块中, b.done = true
a done
在main模块中, a.done = true, b.done = true

  在上述示例中,还涉及到另一个问题,那就是在 a 模块中声明的 globalVar 变量,能在 b 模块中被成功打印。

  在上文中也曾提到过模块封装器,那么 globalVar 变量的声明和打印,相当于下面这样,如果在函数内声明变量时省略 var 关键字,那么这个变量就会变成全局变量。

// a.js
(function (exports, require, module, \_\_filename, \_\_dirname) {
 globalVar = '全局变量';
});
// b.js
(function (exports, require, module, \_\_filename, \_\_dirname) {
 console.log(globalVar);
});

  若要避免污染全局作用域,那么可以声明严格模式,禁止隐式的全局声明,如下所示。

'use strict';
globalVar = '全局变量';

5)与ECMAScript模块的差异

  (1)import 语句只允许在 ES 模块中使用,但可以导入两种模块;而 CommonJS 的 require() 不能导入 ES 模块。

  (2)ES 模块的 import 是异步执行的;而 CommonJS 模块的 require() 是同步执行的。

  (3)ES 模块没有 __filename、__dirname、require.cache、module.exports 等变量。

  (4)ES 模块是编译时输出,可以静态分析模块依赖;而 CommonJS 是运行时加载。

  (5)ES 模块输出的是值引用;而 CommonJS 模块输出的是值副本。

  需要通过一个示例来理解第五点差异,首先创建 lib.mjs 文件,.mjs 是 Node.js 为 ES 模块保留的后缀,在此类文件内可使用 export 和 import 语法。

  在 lib.mjs 文件中,声明 digit 变量和 increase() 函数,在函数中对 digit 执行递增,通过 export 将它们导出。

// lib.mjs
export let digit = 0;
export function increase() {
 digit++;
}

  在 main.mjs 文件中,加载 lib.mjs,打印 digit 变量,值为 0,调用 increase() 函数,再打印,值变为 1。由此可知,外部可以修改模块内部的值。

// main.mjs
import { digit, increase } from './lib.mjs';
console.log(digit); // 0
increase();
console.log(digit); // 1

  接下来创建 lib.js 文件,同样是 digit 变量和 increase() 函数,通过 module.exports 将它们导出。

// lib.js
let digit = 0;
function increase() {
 digit++;
}
module.exports.digit = digit;
module.exports.increase = increase;

  在 main.js 文件中,加载 lib.js,打印 digit 变量,值为 0,调用 increase() 函数,再打印,仍然是 0。由此可知,外部无法修改模块内部的值。

// main.js
const lib = require('./lib');
console.log(lib.digit); // 0
lib.increase();
console.log(lib.digit); // 0

  (6)ES 模块不管是否遇到循环引用,其 import 导入的变量都会成为一个指向被加载模块的引用,而 CommonJS 模块遇到循环引用只会导出模块已执行完成的部分。

  这其实也是两者加载机制的不同所导致的,参考第四点不同。

  CommonJS 对循环引用的处理过程在上文中已介绍,现在改造之前官网的示例,在 main.mjs 中导入 a 和 b 两个模块,并打印 a 和 b 的值。

// main.mjs
import a from './a.mjs';
import b from './b.mjs';
console.log('在main模块中, a = %j, b = %j', a, b);

  在 a.mjs 中,会导入 b.mjs,并打印 b 的值。而在 b.mjs 中,会导入 a.mjs,并打印 a 的值,如此就形成了循环引用。

// a.mjs
import b from './b.mjs';
let done = false;
export default done;
console.log('在a模块中, b = %j', b);

// b.mjs
import a from './a.mjs';
let done = false;
export default done;
console.log('在b模块中, a = %j', a);

  运行 main.mjs,马上就会报错:ReferenceError: Cannot access 'a' before initialization。

  在 main.mjs 中读取 a 的值时,会执行 a.mjs 并读取 b 的值,而在 b.mjs 中,默认会认为 a 已存在,但在访问的时候就会发现被欺骗,然后就报错了。

参考资料:

CommonJS模块

ECMAScript模块

使用 exports 从 Node.js 文件中公开功能

饿了么模块题目

为什么 Node.js 不给每一个.js文件以独立的上下文来避免作用域被污染?

Node.js技术栈

深入理解Node.js:核心思想与源码分析

Node.js 模块系统源码探微

Node.js VM 不完全指北

What’s the difference between CommonJS and ES6 modules?

ECMAScript6入门之ES6模块的循环加载

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