实现一个JavaScript模块化加载器

对任何程序，都存在一个规模的问题，起初我们使用函数来组织不同的模块，但是随着应用规模的不断变大，简单的重构函数并不能顺利的解决问题。尤其对JavaScript程序而言，模块化有助于解决我们在前端开发中面临的越来越复杂的需求。

为什么需要模块化

对开发者而言，有很多理由去将程序拆分为小的代码块。这种模块拆分的过程有助于开发者更清晰的阅读和编写代码，并且能够让编程的过程更多的集中在模块的功能实现上，和算法一样，分而治之的思想有助于提高编程生产率。

在本文中，我们将集中讨论JavaScript的模块化开发，并实现一个简单的module loader。对于模块化的基础知识，可以参考阅读这篇文章。

实现模块化

使用函数作为命名空间

在JavaScript中，函数是唯一的可以用来创建新的作用域的途径。考虑到一个最简单的需求，我们通过数字来获得星期值，例如通过数字0得到星期日，通过数字1得到星期一。我们可以编写如下的程序：

var names = ["Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday"];

function dayName(number) {

    return names[number];

}

console.log(dayName(1));

上面的程序，我们创建了一个函数dayName()来获取星期值。但问题是，names变量被暴露在全局作用域中。更多的时候，我们希望能够构造私有变量，而暴露公共函数作为接口。

对JavaScript中的函数而言，我们可以通过创建立即调用的函数表达式来达到这个效果，我们可以通过如下的方式重构上面的代码，使得私有作用域成为可能：

var dayName = function() {

    var names = ["Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday"];

    return {

        name: function(number) {

            return names[number];

        },

        number: function(name) {

            return names.indexOf(name);

        }

    };

}();

console.log(dayName.name(3));

console.log(dayName.number("Sunday"));

上面的程序中，我们通过将变量包括在一个函数中，这个函数会立即执行，并返回一个包含两个属性的对象，返回的对象会被赋值给dayName变量。在后面，我们可以通过dayName变量来访问暴露的两个函数接口name和number。

对代码进一步改进，我们可以利用一个exports对象来达到暴露公共接口的目的，这种方法可以通过如下方法实现，代码如下：

var weekDay = {};

(function(exports) {

    var names = ["Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday"];

    exports.name = function(number) {

        return names[number];

    };

    exports.number = function(name) {

        return names.indexOf(name);

    };

})(weekDay); // outside of a function, this refers to the global scope object

console.log(weekDay.name(weekDay.number("Saturday")));

上面的这种模块构造方式在以浏览器为核心的前端编码中非常常见，通过暴露一个全局变量的方式来将代码包裹在私有的函数作用域中。但这种方法依然会存在问题，在复杂应用中，你依然无法避免同名变量。

从全局作用域中分离，实现`require`方法

更进一步的，为了实现模块化，我们可以通过构造一个系统，使得一个函数可以require另一个函数的方式来实现模块化编程。所以我们的目标是，实现一个require方法，通过传入模块名来取得该模块的调用。这种实现方式要比前面的方法更为优雅的体现模块化的理念。对require方法而言，我们需要完成两件事。

我们需要实现一个readFile方法，它能通过给定字符串返回文件的内容。
我们需要能够将返回的字符串作为代码进行执行。

我们假设已经存在了readFile这个方法，我们更加关注的是如何能够将字符串作为可执行的程序代码。通常我们有好几种方法来实现这个需求，最常见的方法是eval操作符，但我们常常在刚学习JavaScript的时候被告知，使用eval是一个非常不明智的决策，因为使用它会导致潜在的安全问题，因此我们放弃这个方法。

一个更好的方法是使用Function构造器，它需要两个参数：使用逗号分隔的参数列表字符串，和函数体字符串。例如：

var plusOne = new Function("n", "return n+1");

console.log(plusOne(5)); // 6

下面我们可以来实现require方法了：

// module.js

function require(name) {

	// 调用一个模块，首先检查这个模块是否已被调用

    if(name in require.cache) {

        return require.cache[name];

    }

    var code = new Function("exports, module", readFile(name));

    var exports = {},

        module = {exports: exports};

    code(exports, module);

    require.cache[name] = module.exports;

    return module.exports;

}

// 缓存对象，为了应对重复调用的问题

require.cache = Object.create(null);

// todo:

function readFile(fileName) { ... }

在页面中使用require函数：

<!DOCTYPE html>

<html lang="en">

<head>

    <meta charset="UTF-8">

    <title>demo</title>

    <script src="module.js"></script>

</head>

<body>

    <script>

        var weekDay = require("weekDay");

        var today = require("today");

        console.log(weekDay.name(today.dayNumber()));

    </script>

</body>

</html>

通过这种方式实现的模块化系统通常被称为是CommonJS模块风格的，Node.js正式使用了这种风格的模块化系统。这里只是提供了一个最简单的实现方法，在真实应用中会有更加精致的实现方法。

慢载入模块和AMD

对浏览器编程而言，通常不会使用CommonJS风格的模块化系统，因为对于Web而言，加载一个资源远没有在服务端来的快，这收到网络性能的影响，尤其一个模块如果过大的话，可能会中断方法的执行。Browserify是解决这个问题的一个比较出名的模块化方案。

这个过程大概是这样的：首先检查模块中是否存在require其他模块的语句，如果有，就解析所有相关的模块，然后组装为一个大模块。网站本身为简单的加载这个组装后的大模块。

模块化的另一个解决方案是使用AMD，即异步模块定义，AMD允许通过异步的方式加载模块内容，这种就不会阻塞代码的执行。关于AMD的相关背景知识，可以参考这篇文章。

我们想要实现的功能大概是这个样子的：

// index.html 中的部分代码

define(["weekDay.js", "today.js"], function (weekDay, today) {

        console.log(weekDay.name(today.dayNumber()));

        document.write(weekDay.name(today.dayNumber()));

    });

问题的核心是实现define方法，它的第一个参数是定义该模块说需要的依赖列表，参数而是该模块的具体工作函数。一旦所依赖的模块都被加载后，define便会执行参数2所定义的工作函数。weekDay模块的内容大概是下面的内容：

// weekDay.js

define([], function() {

    var names = ["Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday"];

    return {

        name: function(number) { return names[number]},

        number: function(name) { return names.indexOf(name)}

    }

});

下面我们来关注如何实现define()方法。为了实现这个方法，我们需要定义一个backgroundReadFile()方法来异步的获取文件内容。此外我们需要能够监视模块的加载状态，当模块加载完后能够告诉函数去执行具体的工作函数（回调）。

// 通过Ajax来异步加载模块

function backgroundReadFile(url, callback) {

    var req = new XMLHttpRequest();

    req.open("GET", url, true);

    req.addEventListener("load", function () {

        if (req.status < 400)

            callback(req.responseText);

    });

    req.send(null);

}

通过实现一个getModule函数，通过给定的模块名进行模块的调度运行工作。同样，我们需要通过缓存的方式避免同一个模块被重复的载入。实现代码如下：

// module.js 的部分内容

var defineCache = Object.create(null);

var currentMod = null;

function getModule(name) {

    if (name in defineCache) {

        return defineCache[name];

    }

    var module = {

        exports: null,

        loaded: false,

        onLoad: []

    };

    defineCache[name] = module;

    backgroundReadFile(name, function(code) {

        currentMod = module;

        new Function("", code)();

    });

    return module;

}

有了getModule()了函数之后，define方法可以借助该方法来为当前模块的依赖列表获取或创建模块对象。define方法的简单实现如下：

// module.js 的部分内容

function define(depNames, moduleFunction) {

    var myMod = currentMod;

    var deps = depNames.map(getModule);

    deps.forEach(function(mod) {

        if(!mod.loaded) {

            mod.onLoad.push(whenDepsLoaded);

        }

    });

	// 用于检查是否所有的依赖模块都被成功加载了

    function whenDepsLoaded() {

        if(!deps.every(function(m) { return m.loaded; })) {

            return;

        }

        var args = deps.map(function(m) { return m.exports; });

        var exports = moduleFunction.apply(null, args);

        if (myMod) {

            myMod.exports = exports;

            myMod.loaded = true;

            myMod.onLoad.forEach(function(f) { f(); });

        }

    }

    whenDepsLoaded();

}

关于AMD的更加常见的实现是RequireJS，它提供了AMD风格的更加流行的实现方式。

小结

模块通过将代码分离为不同的文件和命名空间，为大型程序提供了清晰的结构。通过构建良好的接口可以使得开发者更加建议的阅读、使用、扩展代码。尤其对JavaScript语言而言，由于天生的缺陷，使得模块化更加有助于程序的组织。在JavaScript的世界，有两种流行的模块化实现方式，一种称为CommonJS，通常是服务端的模块化实现方案，另一种称为AMD，通常针对浏览器环境。其他关于模块化的知识，你可以参考这篇文章。

References

Eloquent JavaScript, chapter 10, Modules
Browserify运行原理分析
Why AMD?
JavaScript模块化知识点小结