什麼是CommonJS模組規格？ Nodejs模組機制淺析

Node應用程式由模組組成，其模組系統借鑒了CommonJS模組規範，但是並未完全按照規範實現，而是根據自身需求增加了一些特性，算是CommonJS模組規格的一個變種。

CommonJS概述

CommonJS是社群提出的一種JavaScript模組化規範，可以說是 JS模組化歷程中最重要的一塊里程碑，它建構了一個美好的願景－JS能夠在任何地方運行，但其實由於它的模組是同步載入的，只適合在服務端等其他本機環境，並不適合瀏覽器端等需要非同步載入資源的地方。

為了能讓JS能夠在任何地方運行，CommonJS制定了一些介面規範，這些介面覆蓋了模組、二進位、Buffer# 、字元集編碼、I/O流、進程環境、檔案系統、socket、單元測試、web伺服器、網關、套件管理等等，雖然大部分都處於草案階段，但是其深深影響了Node的發展。

下圖表示了Node與瀏覽器、W3C、CommonJS以及ECMAScript之間的關係，摘自《深入淺出NodeJS》

CommonJS的模組規格

CommonJS的模組主要由模組引用、模組定義和模組標識三部分組成。

模組標識

模組標識對每個模組來說是唯一的，是它被引用時的依據，它必須是符合小駝峰命名的字串，或是檔案的相對路徑或絕對路徑。

require('fs')// fs是内建模块，执行时会被直接载入内存，无须路径标识
require('./moduleA')//导入当前目录的moduleA
require('../moduleB')// 导入上一个目录的moduleB
require('C://moduleC')// 绝对路径导入moduleC

模組引用

使用require()來引用一個模組，這個方法接受一個模組識別作為參數，以此引入一個模組的API到目前上下文。

const fs = require('fs')// 引入内建的fs模块

模組定義

有導入自然也有導出，要將目前上下文中的方法或變數作為模組導出，需要使用內建的module.exports對象，它是模組導出的唯一出口。

CommonJS規格規定，每個模組內部，module變數代表目前模組。這個變數是一個對象，它的exports屬性（即module.exports）是對外的介面。載入某個模組，其實是載入該模組的module.exports屬性。

// moduleA.js模块
let moduleA = {
    name:"moduleA"
}
module.exports = {
    moduleA
}

// moduleB.js模块
// 导入moduleA
const {moduleA} = require('./moduleA')

CommonJS模組的特性如下：

• 每個模組有獨立的上下文，模組內的程式碼獨立執行，不會污染全域作用域。
• 模組可以被多次加載，但是只會在第一次加載時運行，運行結果會被緩存，後續再加載相同模組會直接讀取緩存結果，緩存存儲在module. cache中
• 模組的載入會依照程式碼順序執行。

Node的模組實作

Node#導入模組需要經歷3個步驟：路徑分析 -> 檔案定位 -> 編譯執行:

• 路徑分析：根據模組識別分析模組類型。

• 檔案定位：根據模組類型和模組識​​別碼找到模組所處位置。

• 編譯執行：將檔案編譯成機器碼執行，中間需要經過一連串轉換。

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模組類型分為內建模區塊與使用者模組：

• 內建模區塊:內建模區塊由Node提供，已經被編譯成二進位執行文件，在node執行時，內建模區塊會直接載入內存，因此我們可以直接引入，它的加載速度很快，因為它不需要經過文件定位和編譯執行這2個步驟。

• 檔案模組：使用js或C 等寫的擴充模組，執行時需要先被編譯成二進位機器碼。需要經過上述三大步驟。

模組快取

#不管是內建模區塊還是檔案模組，node在第一次載入後都會將結果快取起來，下次載入相同模組時，會先從快取中查找，如果能查找到則直接從快取中讀取，快取的結果是模組編譯和執行後的對象，是所有模組中加載最快的。

路径分析

路径分析依据的是模块标识符，模块标识符有以下几种类型：

• 内建模块标识，例如fs，path等，不需要编译，node运行时被直接载入内存等待导入。
• 相对路径模块标识：使用相对路径描述的文件模块
• 绝对路径模块标识：使用绝对路径描述的文件模块
• 自定义模块标识：通常是node_modules中的包，引入时也不需要写路径描述，node有一套算法来寻找，是所有模块标识中分析速度最慢的。

文件定位

文件定位主要包括文件扩展名分析、目录和包的处理。如果文件定位结束时都没找到任何文件，则会抛出文件查找失败的异常。

文件扩展名分析

由于模块标识可以不添加文件扩展名，因此Node会按.js、.json、.node的次序依次补足扩展名来尝试加载，尝试加载的过程需要调用fs模块同步阻塞式地判断文件是否存在，因此为了提高性能，可以在使用require()导入模块时，参数带上文件扩展名，这样会加快文件定位速度。

目录、包的处理

在分析文件扩展名时，可能得到的是一个目录，此时Node会将其作为一个包处理，用查找包的规则来查找：在当前目录下查找package.json，获得其中定义的main属性指定的文件名，以它来作为查找的入口，如果没有package.json，则默认将目录下的index当前默认文件名，然后依次查找index.js、index.json、index.node。

编译执行

编译和执行是模块导入的最后一个步骤，node会先创建一个Module实例，代表当前模块。它有以下属性：

• module.id 模块的识别符，通常是带有绝对路径的模块文件名。
• module.filename 模块的文件名，带有绝对路径。
• module.loaded 返回一个布尔值，表示模块是否已经完成加载。
• module.parent 返回一个对象，表示调用该模块的模块。
• module.children 返回一个数组，表示该模块要用到的其他模块。
• module.exports 表示模块对外输出的值。

通过文件定位得到的信息，Node再载入文件并编译。对于不同的文件扩展名，其载入方法也有所不同：

• .js文件：通过fs模块同步读取文件后编译执行。
• .node文件：这是C/C++编写的扩展文件，通过dlopen()方法加载。
• .json文件：通过fs模块读取后，用JSON.parse()解析返回结果。
• 其余扩展名一律当.js文件载入

每一个载入的模块都会被缓存，可以通过require.cache来查看。

使用ES-Module

目前，在node中使用ES-Module属于实验性功能，从8.5开始支持，执行时需要加上--experimental-modules参数。从12.17.0 LTS开始，去掉了--experimental-modules ，现在可以通过使用.mjs文件代替.js文件或在package.json中指定 type 为 module 两种方式使用。

// package.json
{ 
    "name": "esm-project", 
    "version": "1.0.0", 
    "main": "index.js", 
    "type": "module", 
    ... 
}

ES-Module相比于CommonJS的Module机制，最大不同是ES-Module对导出模块的变量、对象是动态引用，而且是在编译阶段暴露模块的导入接口，因此可以进行静态分析；而CommonJS-Module是运行时同步加载，且输出的是导出模块的浅拷贝。除此之外，ES-Module支持加载CommonJS-Module，而反过来则不行。

其次，Node 规定 ES6 模块之中不能使用 CommonJS 模块的特有的一些内部变量，这是因为ES-Module顶层this指向undefined，CommonJS模块的顶层this指向当前模块，而这些内部变量作为顶层变量能被直接使用。

CommonJS的内部变量有：

• arguments
• require
• #module
• ##exportsm
• __filename
• __dirname

##總結

• #Node模組的載入是同步的，只有載入完成，才能執行後面的操作。

• 每一個檔案就是一個模組，有自己的作用域。每個模組內部，module物件代表了目前模組，它的exports屬性作為目前模組的導出介面。

• 導入的模組是導出模組的一個淺拷貝。

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