Node.js 模块化你所需要知道的事

一、前言

我们知道，Node.js是基于CommonJS规范进行模块化管理的，模块化是面对复杂的业务场景不可或缺的工具，或许你经常使用它，但却从没有系统的了解过，所以今天我们来聊一聊Node.js模块化你所需要知道的一些事儿，一探Node.js模块化的面貌。

二、正文

在Node.js中，内置了两个模块来进行模块化管理，这两个模块也是两个我们非常熟悉的关键字：require和module。内置意味着我们可以在全局范围内使用这两个模块，而无需像其他模块一样，需要先引用再使用。

无需 require('require') or require('module')

在Node.js中引用一个模块并不是什么难事儿，很简单：

const config = require('/path/to/file')

但实际上，这句简单的代码执行了一共五个步骤：

了解这五个步骤有助于我们了解Node.js模块化的基本原理，也能让我们甄别一些陷阱，让我们简单概括下这五个步骤都做了什么：

• Resolving：找到待引用的目标模块，并生成绝对路径。
• Loading：判断待引用的模块内容是什么类型，它可能是.json文件、.js文件或者.node文件。
• Wrapping：顾名思义，包装被引用的模块。通过包装，让模块具有私有作用域。
• Evaluating：被加载的模块被真正的解析和处理执行。
• Caching：缓存模块，这让我们在引入相同模块时，不用再重复上述步骤。

有些同学看完这五个步骤可能已经心知肚明，对这些原理轻车熟路，有些同学心中可能产生了更多疑惑，无论如何，接下来的内容会详细解析上述的执行步骤，希望能帮助大家答疑解惑 or 巩固知识、查缺补漏。

By the way，如果有需要，可以和我一样，构建一个实验目录，跟着Demo进行实验。

2.1 什么是模块

想要了解模块化，需要先直观地看看模块是什么。

我们知道在Node.js中，文件即模块，刚刚提到了模块可以是.js、.json或者.node文件，通过引用它们，可以获取工具函数、变量、配置等等，但是它的具体结构是怎样呢？在命令行中简单执行下面的命令就可以看到模块，也就是module对象的结构：

~/learn-node $ node
> module
Module {
  id: '<repl>',
  exports: {},
  parent: undefined,
  filename: null,
  loaded: false,
  children: [],
  paths: [ ... ] }

可以看到模块也就是一个普通对象，只不过结构中有几个特殊的属性值，需要我们一一去理解，有些属性，例如id、parent、filename、children甚至都无需解释，通过字面意思就可以理解。

后续的内容会帮助大家理解这些字段的意义和作用。

2.2 Resolving

大致了解了什么是模块后，我们从第一个步骤Resolving开始，了解模块化原理，也就是Node.js如何寻找目标模块，并生成目标模块的绝对路径。

那么什么我们刚刚要先打印module对象，先让大家了解module的结构呢？因为这里有两个字段值id、paths和Resolving这个步骤息息相关。一起来看看吧。

• 首先是 id 属性：

每个module都有id属性，通常这个属性值是模块的完整路径，通过这个值Node.js可以标识和定位模块的所在位置。但是在这儿并没有具体的模块，我们只是在命令行中输出了module的结构，所以为默认的<repl>值（repl表示交互式解释器）。

• 其次是paths属性：

这个paths属性有什么作用呢？Node.js允许我们用多种方式来引用模块，比如相对路径、绝对路径、预置路径（马上会解释），假设我们需要引用一个叫做find-me的模块，require如何帮助我们找到这个模块呢？

require('find-me')

我们先打印看看paths中是什么内容：

~/learn-node $ node
> module.paths
[ '/Users/samer/learn-node/repl/node_modules',
  '/Users/samer/learn-node/node_modules',
  '/Users/samer/node_modules',
  '/Users/node_modules',
  '/node_modules',
  '/Users/samer/.node_modules',
  '/Users/samer/.node_libraries',
  '/usr/local/Cellar/node/7.7.1/lib/node' ]

ok，其实就是一堆系统绝对路径，这些路径表示了所有目标模块可能出现的位置，并且它们是有序的，这意味着Node.js会按序查找paths中列出的所有路径，如果找到这个模块，就输出该模块的绝对路径供后续使用。

现在我们知道Node.js会在这一堆目录中查找module，尝试执行require('find-me')来查找find-me模块，由于我们并没有在任何目录放置find-me模块，所以Node.js在遍历所有目录之后并不能找到目标模块，因此报错Cannot find module 'find-me'，这个错误大家也许经常看到：

~/learn-node $ node
> require('find-me')
Error: Cannot find module 'find-me'
    at Function.Module._resolveFilename (module.js:470:15)
    at Function.Module._load (module.js:418:25)
    at Module.require (module.js:498:17)
    at require (internal/module.js:20:19)
    at repl:1:1
    at ContextifyScript.Script.runInThisContext (vm.js:23:33)
    at REPLServer.defaultEval (repl.js:336:29)
    at bound (domain.js:280:14)
    at REPLServer.runBound [as eval] (domain.js:293:12)
    at REPLServer.onLine (repl.js:533:10)

现在，可以尝试把需要引用的find-me模块放在上述的任意一个目录下，在这里我们创建一个node_modules目录，并创建find-me.js文件，让Node.js能够找到它：

~/learn-node $ mkdir node_modules

~/learn-node $ echo "console.log('I am not lost');" > node_modules/find-me.js

~/learn-node $ node
> require('find-me');
I am not lost
{}
>

手动创建了find-me.js文件后，Node.js果然找到了目标模块。当然，当Node.js本地的node_modules目录中找到了find-me模块，就不会再去后续的目录中继续寻找了。

有Node.js开发经验的同学会发现在引用模块时，不一定非得指定到准确的文件，也可以通过引用目录来完成对目标模块的引用，例如：

~/learn-node $ mkdir -p node_modules/find-me

~/learn-node $ echo "console.log('Found again.');" > node_modules/find-me/index.js

~/learn-node $ node
> require('find-me');
Found again.
{}
>

find-me目录下的index.js文件会被自动引入。

当然，这是有规则限制的，Node.js之所以能够找到find-me目录下的index.js文件，是因为默认的模块引入规则是当具体的文件名缺失时寻找index.js文件。我们也可以更改引入规则(通过修改package.json），比如把index -> main:

~/learn-node $ echo "console.log('I rule');" > node_modules/find-me/main.js

~/learn-node $ echo '{ "name": "find-me-folder", "main": "main.js" }' > node_modules/find-me/package.json

~/learn-node $ node
> require('find-me');
I rule
{}
>

2.3 require.resolve

如果你只想要在项目中引入某个模块，而不想立即执行它，可以使用require.resolve方法，它和require方法功能相似，只是并不会执行被引入的模块方法：

> require.resolve('find-me');
'/Users/samer/learn-node/node_modules/find-me/start.js'
> require.resolve('not-there');
Error: Cannot find module 'not-there'
    at Function.Module._resolveFilename (module.js:470:15)
    at Function.resolve (internal/module.js:27:19)
    at repl:1:9
    at ContextifyScript.Script.runInThisContext (vm.js:23:33)
    at REPLServer.defaultEval (repl.js:336:29)
    at bound (domain.js:280:14)
    at REPLServer.runBound [as eval] (domain.js:293:12)
    at REPLServer.onLine (repl.js:533:10)
    at emitOne (events.js:101:20)
    at REPLServer.emit (events.js:191:7)
>

可以看到，如果该模块被找到了，Node.js会打印模块的完整路径，如果未找到，就报错。

了解了Node.js是如何寻找模块之后，来看看Node.js是如何加载模块的。

2.4 模块间的父子依赖关系

我们把模块间引用关系，表示为父子依赖关系。

简单创建一个lib/util.js文件，添加一行console.log语句，标识这是一个被引用的子模块。

~/learn-node $ mkdir lib
~/learn-node $ echo "console.log('In util');" > lib/util.js

在index.js也输入一行console.log语句，标识这是一个父模块，并引用刚刚创建的lib/util.js作为子模块。

~/learn-node $ echo "require('./lib/util'); console.log('In index, parent', module);" > index.js

执行index.js，看看它们间的依赖关系：

~/learn-node $ node index.js
In util
In index <ref *1> Module {
  id: '.',
  path: '/Users/samer/',
  exports: {},
  parent: null,
  filename: '/Users/samer/index.js',
  loaded: false,
  children: [
    Module {
      id: '/Users/samer/lib/util.js',
      path: '/Users/samer/lib',
      exports: {},
      parent: [Circular *1],
      filename: '/Users/samer/lib/util.js',
      loaded: true,
      children: [],
      paths: [Array]
    }
  ],
  paths: [...]
}

在这里我们关注与依赖关系相关的两个属性：children和parent。

在打印的结果中，children字段包含了被引入的util.js模块，这表明了util.js是index.js所依赖的子模块。

但仔细观察util.js模块的parent属性，发现这里出现了Circular这个值，原因是当我们打印模块信息时，产生了循环的依赖关系，在子模块信息中打印父模块信息，又要在父模块信息中打印子模块信息，所以Node.js简单地将它处理标记为Circular。

为什么需要了解父子依赖关系呢？因为这关系到Node.js是如何处理循环依赖关系的，后续会详细描述。

在看循环依赖关系的处理问题之前，我们需要先了解两个关键的概念：exports和module.exports。

2.5 exports, module.exports

• exports：

exports是一个特殊的对象，它在Node.js中可以无需声明，作为全局变量直接使用。它实际上是module.exports的引用，通过修改exports可以达到修改module.exports的目的。

exports也是刚刚打印的module结构中的一个属性值，但是刚刚打印出来的值都是空对象，因为我们并没有在文件中对它进行操作，现在我们可以尝试简单地为它赋值：

// 在lib/util.js的开头新增一行
exports.id = 'lib/util';

// 在index.js的开头新增一行
exports.id = 'index';

执行index.js：

~/learn-node $ node index.js
In index Module {
  id: '.',
  exports: { id: 'index' },
  loaded: false,
  ... }
In util Module {
  id: '/Users/samer/learn-node/lib/util.js',
  exports: { id: 'lib/util' },
  parent:
   Module {
     id: '.',
     exports: { id: 'index' },
     loaded: false,
     ... },
  loaded: false,
  ... }

可以看到刚刚添加的两个id属性被成功添加到exports对象中。我们也可以添加除id以外的任意属性，就像操作普通对象一样，当然也可以把exports变成一个function，例如：

exports = function() {}

• module.exports:

module.exports对象其实就是我们最终通过require所得到的东西。我们在编写一个模块时，最终给module.exports赋什么值，其他人引用该模块时就能得到什么值。例如，结合刚刚对lib/util的操作：

const util = require('./lib/util');

console.log('UTIL:', util);

// 输出结果

UTIL: { id: 'lib/util' }

由于我们刚刚通过exports对象为module.exports赋值{id: 'lib/util'}，因此require的结果就相应地发生了变化。

现在我们大致了解了exports和module.exports都是什么，但是有一个小细节需要注意，那就是Node.js的模块加载是个同步的过程。

我们回过头来看看module结构中的loaded属性，这个属性标识这个模块是否被加载完成，通过这个属性就能简单验证Node.js模块加载的同步性。

当模块被加载完成后，loaded值应该为true。但到目前为止每次我们打印module时，它的状态都是false，这其实正是因为在Node.js中，模块的加载是同步的，当我们还未完成加载的动作（加载的动作包括对module进行标记，包括标记loaded属性），因此打印出的结果就是默认的loaded: false。

我们用setImmediate来帮助我们验证这个信息：

// In index.js
setImmediate(() => {
  console.log('The index.js module object is now loaded!', module)
});
点击并拖拽以移动
The index.js module object is now loaded! Module {
  id: '.',
  exports: [Function],
  parent: null,
  filename: '/Users/samer/learn-node/index.js',
  loaded: true,
  children:
   [ Module {
       id: '/Users/samer/learn-node/lib/util.js',
       exports: [Object],
       parent: [Circular],
       filename: '/Users/samer/learn-node/lib/util.js',
       loaded: true,
       children: [],
       paths: [Object] } ],
  paths:
   [ '/Users/samer/learn-node/node_modules',
     '/Users/samer/node_modules',
     '/Users/node_modules',
     '/node_modules' ] }

ok，由于console.log被后置到加载完成（打完标记）之后，因此现在加载状态变成了loaded: true。这充分验证了Node.js模块加载是一个同步过程。

了解了exports、module.exports以及模块加载的同步性后，来看看Node.js是如何处理模块的循环依赖关系。

2.6 模块循环依赖

在上述内容中，我们了解到了模块之间是存在父子依赖关系的，那如果模块之间产生了循环的依赖关系，Node.js会怎么处理呢？假设有两个模块，分别为module1.js和modole2.js，并且它们互相引用了对方，如下：

// lib/module1.js

exports.a = 1;

require('./module2'); // 在这儿引用

exports.b = 2;
exports.c = 3;

// lib/module2.js

const Module1 = require('./module1');
console.log('Module1 is partially loaded here', Module1); // 引用module1并打印它

尝试运行module1.js，可以看到输出结果：

~/learn-node $ node lib/module1.js
Module1 is partially loaded here { a: 1 }

结果中只输出了{a: 1}，而{b: 2, c: 3}却不见了。仔细观察module1.js，发现我们在module1.js的中间位置添加了对module2.js的引用，也就是exports.b = 2和exports.c = 3还未执行之前的位置。如果我们把这个位置称作发生循环依赖的位置，那么我们得到的结果就是在循环依赖发生前被导出的属性，这也是基于我们上述验证过的Node.js的模块加载是同步过程的结论。

Node.js就是这样简单地处理循环依赖。在加载模块的过程中，会逐步构建exports对象，为exports赋值。如果我们在模块被完全加载前就引用这个模块，那么我们只能得到部分的exports对象属性。

2.7 .json和.node

在Node.js中，我们不仅能用require来引用JavaScript文件，还能用于引用JSON或C++插件（.json和.node文件）。我们甚至都不需要显式地声明对应的文件后缀。

在命令行中也可以看到require所支持的文件类型：

~ % node
> require.extensions
[Object: null prototype] {
  '.js': [Function (anonymous)],
  '.json': [Function (anonymous)],
  '.node': [Function (anonymous)]
}

当我们用require引用一个模块，首先Node.js会去匹配是否有.js文件，如果没有找到，再去匹配.json文件，如果还没找到，最后再尝试匹配.node文件。但是通常情况下，为了避免混淆和引用意图不明，可以遵循在引用.json或.node文件时显式地指定后缀，引用.js时省略后缀（可选，或都加上后缀）。

• .json文件:

引用.json文件很常用，例如一些项目中的静态配置，使用.json文件来存储更便于管理，例如：

{
  "host": "localhost",
  "port": 8080
}

引用它或使用它都很简单：

const { host, port } = require('./config');
console.log(`Server will run at http://${host}:${port}`)

输出如下：

Server will run at http://localhost:8080

• .node文件：

.node文件是由C++文件转化而来，官网提供了一个简单的由C++实现的 hello插件 ，它暴露了一个hello()方法，输出字符串world。有需要的话，可以跳转链接做更多了解并进行实验。

我们可以通过node-gyp来将.cc文件编译和构建成.node文件，过程也非常简单，只需要配置一个binding.gyp文件即可。这里不详细阐述，只需要知道生成.node文件后，就可以正常地引用该文件，并使用其中的方法。

例如，将hello()转化生成addon.node文件后，引用并使用它：

const addon = require('./addon');
console.log(addon.hello());

2.8 Wrapping

其实在上述内容中，我们阐述了在Node.js中引用一个模块的前两个步骤Resolving和Loading，它们分别解决了模块的路径和加载的问题。接下来看看Wrapping都做了什么。

Wrapping就是包装，包装的对象就是所有我们在模块中写的代码。也就是我们引用模块时，其实经历了一层『透明』的包装。

要了解这个包装过程，首先要理解exports和module.exports之间的区别。

exports是对module.exports的引用，我们可以在模块中使用exports来导出属性，但是不能直接替换它。例如：

exports.id = 42; // ok，此时exports指向module.exports，相当于修改了module.exports.
exports = { id: 42 }; // 无用，只是将它指向了{ id: 42 }对象而已，对module.exports不会产生实际改变.
module.exports = { id: 42 }; // ok，直接操作module.exports.

大家也许会有疑惑，为什么这个exports对象似乎对每个模块来说都是一个全局对象，但是它又能够区分导出的对象是来自于哪个模块，这是怎么做到的。

在了解包装(Wrapping)过程之前，来看一个小例子：

// In a.js
var value = 'global'

// In b.js
console.log(value)  // 输出：global

// In c.js
console.log(value)  // 输出：global

// In index.html
...
<script src="a.js"></script>
<script src="b.js"></script>
<script src="c.js"></script>

当我们在a.js脚本中定义一个值value，这个值是全局可见的，后续引入的b.js和c.js都是可以访问该value值。但是在Node.js模块中却并不是这样，在一个模块中定义的变量具有私有作用域，在其它模块中无法直接访问。这个私有作用域如何产生的？

答案很简单，是因为在编译模块之前，Node.js将模块中的内容包装在了一个function中，通过函数作用域实现了私有作用域。

通过require('module').wrapper可以打印出wrapper属性：

~ $ node
> require('module').wrapper
[ '(function (exports, require, module, __filename, __dirname) { ',
  '\n});' ]
>

Node.js不会直接执行文件中的任何代码，但它会通过这个包装后的function来执行代码，这让我们的每个模块都有了私有作用域，不会互相影响。

这个包装函数有五个参数：exports, require, module, __filename, __dirname。我们可以通过arguments参数直接访问和打印这些参数：

/learn-node $ echo "console.log(arguments)" > index.js

~/learn-node $ node index.js
{ '0': {},
  '1':
   { [Function: require]
     resolve: [Function: resolve],
     main:
      Module {
        id: '.',
        exports: {},
        parent: null,
        filename: '/Users/samer/index.js',
        loaded: false,
        children: [],
        paths: [Object] },
     extensions: { ... },
     cache: { '/Users/samer/index.js': [Object] } },
  '2':
   Module {
     id: '.',
     exports: {},
     parent: null,
     filename: '/Users/samer/index.js',
     loaded: false,
     children: [],
     paths: [ ... ] },
  '3': '/Users/samer/index.js',
  '4': '/Users/samer' }

简单了解一下这几个参数，第一个参数exports初始时为空（未赋值），第二、三个参数require和module是和我们引用的模块相关的实例，它们俩不是全局的。第四、五个参数__filename和__dirname分别表示了文件路径和目录。

整个包装后的函数所做的事儿约等于：

unction (require, module, __filename, __dirname) {
  let exports = module.exports;

  // Your Code...

  return module.exports;
}

总而言之，wrapping就是将我们的模块作用域私有化，以module.exports作为返回值将变量或方法暴露出来，以供使用。

2.9 Cache

缓存很容易理解，通过一个案例来看看吧：

echo 'console.log(`log something.`)' > index.js
// In node repl
> require('./index.js')
log something.
{}
> require('./index.js')
{}
>

可以看到，两次引用同一个模块，只打印了一次信息，这是因为第二次引用时取的是缓存，无需重新加载模块。

打印require.cache可以看到当前的缓存信息：

> require.cache
[Object: null prototype] {
  '/Users/samer/index.js': Module {
    id: '/Users/samer/index.js',
    path: '/Users/samer/',
    exports: {},
    parent: Module {
      id: '<repl>',
      path: '.',
      exports: {},
      parent: undefined,
      filename: null,
      loaded: false,
      children: [Array],
      paths: [Array]
    },
    filename: '/Users/samer/index.js',
    loaded: true,
    children: [],
    paths: [
      '/Users/samer/learn-node/repl/node_modules',
      '/Users/samer/learn-node/node_modules',
      '/Users/samer/node_modules',
      '/Users/node_modules',
      '/node_modules',
      '/Users/samer/.node_modules',
      '/Users/samer/.node_libraries',
      '/usr/local/Cellar/node/7.7.1/lib/node'
    ]
  }
}

可以看到刚刚引用的index.js文件处于缓存当中，因此不会重新加载模块。当然我们也可以通过删除require.cache来清空缓存内容，达到重新加载的目的，这里不再演示。

三、总结

本文概述了使用Node.js模块化时需要了解到的一些基本原理和常识，希望帮助大家对Node.js模块化有更清晰的认识。但更深入的细节并未在本文中阐述，例如wrapper函数内部的处理逻辑，CommonJS的同步加载的问题、与ES模块的区别等等。这些未提到的内容大家可以在本文以外做更多探索。

作者：vivo-Wei Xing