探索 Node.js 原始碼，詳解cjs 模組的載入過程

相信大家都知道如何在Node 中載入一個模組：

const fs = require('fs');
const express = require('express');
const anotherModule = require('./another-module');

沒錯，require就是載入cjs 模組的API，但V8 本身是沒有cjs 模組系統的，所以node 是怎麼透過require找到模組並且載入的呢？ 【相關教學推薦：nodejs影片教學】      

我們今天將對 Node.js 原始碼進行探索，深入理解 cjs 模組的載入過程。 我們閱讀的node 程式碼版本為v17.x：

• git 頭 ：881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293
• #1%連結：github.com/#nojs/node…

原始碼閱讀

內建模組為了知道

require

的工作邏輯，我們需要先了解內建模組是如何被載入到node 中的(諸如'fs'，'path'，'child_process'，其中也包括一些無法被使用者引用的內部模組)，準備好程式碼之後，我們首先要從node 啟動開始閱讀。 node 的main 函數在[src/node_main.cc](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/src/node_main#Lccc/node_main#Lccc/node_main#Lcc/node_main#Lcc/node_main#Lcc/node_main#Lcc/node_main#Lcc/node_main#Lccc/node_main#Lccc/node_main#Lccc/node_main#Lcc/node_main#Lccc/node_main#Lcc/node_main#Lcc #[node::Start](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/src/node.cc#L1134)##no# 來啟動一個#rrde 實例：這裡建立一個#rrde 實例來啟動一個#rde 實例來啟動一個#了事件循環，並且創建了一個NodeMainInstance 的實例main_instance 並且呼叫了它的Run

方法：

int Start(int argc, char** argv) {
  InitializationResult result = InitializeOncePerProcess(argc, argv);
  if (result.early_return) {
    return result.exit_code;
  }

  {
    Isolate::CreateParams params;
    const std::vector<size_t>* indices = nullptr;
    const EnvSerializeInfo* env_info = nullptr;
    bool use_node_snapshot =
        per_process::cli_options->per_isolate->node_snapshot;
    if (use_node_snapshot) {
      v8::StartupData* blob = NodeMainInstance::GetEmbeddedSnapshotBlob();
      if (blob != nullptr) {
        params.snapshot_blob = blob;
        indices = NodeMainInstance::GetIsolateDataIndices();
        env_info = NodeMainInstance::GetEnvSerializeInfo();
      }
    }
    uv_loop_configure(uv_default_loop(), UV_METRICS_IDLE_TIME);

    NodeMainInstance main_instance(&params,
                                   uv_default_loop(),
                                   per_process::v8_platform.Platform(),
                                   result.args,
                                   result.exec_args,
                                   indices);
    result.exit_code = main_instance.Run(env_info);
  }

  TearDownOncePerProcess();
  return result.exit_code;
}

Run 方法中呼叫[CreateMainEnvironment](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/src/node_main_instance. ##建立Environment 物件env

並呼叫其[RunBootstrapping](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae296/nob. L398) 方法：<div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><pre class="brush:php;toolbar:false">int NodeMainInstance::Run(const EnvSerializeInfo* env_info) {   Locker locker(isolate_);   Isolate::Scope isolate_scope(isolate_);   HandleScope handle_scope(isolate_);   int exit_code = 0;   DeleteFnPtr&lt;Environment, FreeEnvironment&gt; env =       CreateMainEnvironment(&amp;exit_code, env_info);   CHECK_NOT_NULL(env);   Context::Scope context_scope(env-&gt;context());   Run(&amp;exit_code, env.get());   return exit_code; }</pre><div class="contentsignin">登入後複製</div></div><div class="contentsignin">登入後複製</div></div>這裡的

[BootstrapInternalLoaders](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae22296b6d6實作了node 模組載入過程中非常重要的一步： 透過包裝並執行

[internal/bootstrap/loaders.js](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/bootstrap/loaders.模組的[nativeModulerequire](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/bootstrap/loaders#jsL3332)，用於載入的內建函數，332）用於載入的函數，332)。 [internalBinding](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/bootstrap/loaders.js#L##C 模組，用於載入的內建#C 模組，載入中的內建#. NativeModule](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/bootstrap/loaders.js#L191) 則是內建的小型模組來模組。

Environment* CreateEnvironment(
    IsolateData* isolate_data,
    Local<Context> context,
    const std::vector<std::string>& args,
    const std::vector<std::string>& exec_args,
    EnvironmentFlags::Flags flags,
    ThreadId thread_id,
    std::unique_ptr<InspectorParentHandle> inspector_parent_handle) {
  Isolate* isolate = context->GetIsolate();
  HandleScope handle_scope(isolate);
  Context::Scope context_scope(context);
  // TODO(addaleax): This is a much better place for parsing per-Environment
  // options than the global parse call.
  Environment* env = new Environment(
      isolate_data, context, args, exec_args, nullptr, flags, thread_id);
#if HAVE_INSPECTOR
  if (inspector_parent_handle) {
    env->InitializeInspector(
        std::move(static_cast<InspectorParentHandleImpl*>(
            inspector_parent_handle.get())->impl));
  } else {
    env->InitializeInspector({});
  }
#endif

  if (env->RunBootstrapping().IsEmpty()) {
    FreeEnvironment(env);
    return nullptr;
  }

  return env;
}

要注意的是，這個 require 函數只會被用於內建模組的加載，用戶模組的載入並不會用到它。 （這也是為什麼我們透過列印

require('module')._cache 可以看到所有使用者模組，卻看不到fs 等內建模組的原因，因為兩者的載入和快取維護方式並不一樣）。 使用者模組

接下來讓我們把目光移回

[NodeMainInstance::Run](https://github .com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/src/node_main_instance.cc#L127) 函式：

MaybeLocal<Value> Environment::RunBootstrapping() {
  EscapableHandleScope scope(isolate_);

  CHECK(!has_run_bootstrapping_code());

  if (BootstrapInternalLoaders().IsEmpty()) {
    return MaybeLocal<Value>();
  }

  Local<Value> result;
  if (!BootstrapNode().ToLocal(&result)) {
    return MaybeLocal<Value>();
  }

  // Make sure that no request or handle is created during bootstrap -
  // if necessary those should be done in pre-execution.
  // Usually, doing so would trigger the checks present in the ReqWrap and
  // HandleWrap classes, so this is only a consistency check.
  CHECK(req_wrap_queue()->IsEmpty());
  CHECK(handle_wrap_queue()->IsEmpty());

  DoneBootstrapping();

  return scope.Escape(result);
}

我們已經透過一個去#cronment 對象，這個Environment 實例已經有了一個模組系統NativeModule

用來維護內建模組。 然後程式碼會運行到Run 函數的另一個重載版本：

function nativeModuleRequire(id) {
  if (id === loaderId) {
    return loaderExports;
  }

  const mod = NativeModule.map.get(id);
  // Can't load the internal errors module from here, have to use a raw error.
  // eslint-disable-next-line no-restricted-syntax
  if (!mod) throw new TypeError(`Missing internal module '${id}'`);
  return mod.compileForInternalLoader();
}

const loaderExports = {
  internalBinding,
  NativeModule,
  require: nativeModuleRequire
};

return loaderExports;

在這裡呼叫[LoadEnvironment](https://github.com /nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/src/api/environment.cc#L403)：

<div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><pre class="brush:php;toolbar:false">int NodeMainInstance::Run(const EnvSerializeInfo* env_info) {   Locker locker(isolate_);   Isolate::Scope isolate_scope(isolate_);   HandleScope handle_scope(isolate_);   int exit_code = 0;   DeleteFnPtr&lt;Environment, FreeEnvironment&gt; env =       CreateMainEnvironment(&amp;exit_code, env_info);   CHECK_NOT_NULL(env);   Context::Scope context_scope(env-&gt;context());   Run(&amp;exit_code, env.get());   return exit_code; }</pre><div class="contentsignin">登入後複製</div></div><div class="contentsignin">登入後複製</div></div>##nom]然後執行#/123de /blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/src/node.cc#L455)

：<div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><pre class="brush:php;toolbar:false">MaybeLocal&lt;Value&gt; StartExecution(Environment* env, StartExecutionCallback cb) {   // 已省略其他运行方式，我们只看 `node index.js` 这种情况，不影响我们理解模块系统   if (!first_argv.empty() &amp;&amp; first_argv != &quot;-&quot;) {     return StartExecution(env, &quot;internal/main/run_main_module&quot;);   } }</pre><div class="contentsignin">登入後複製</div></div> <p>在 <code>StartExecution(env, "internal/main/run_main_module")这个调用中，我们会包装一个 function，并传入刚刚从 loaders 中导出的 require 函数，并运行 [lib/internal/main/run_main_module.js](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/main/run_main_module.js) 内的代码：

'use strict';

const {
  prepareMainThreadExecution
} = require('internal/bootstrap/pre_execution');

prepareMainThreadExecution(true);

markBootstrapComplete();

// Note: this loads the module through the ESM loader if the module is
// determined to be an ES module. This hangs from the CJS module loader
// because we currently allow monkey-patching of the module loaders
// in the preloaded scripts through require('module').
// runMain here might be monkey-patched by users in --require.
// XXX: the monkey-patchability here should probably be deprecated.
require('internal/modules/cjs/loader').Module.runMain(process.argv[1]);

所谓的包装 function 并传入 require，伪代码如下：

(function(require, /* 其他入参 */) {
  // 这里是 internal/main/run_main_module.js 的文件内容
})();

所以这里是通过内置模块的 require 函数加载了 [lib/internal/modules/cjs/loader.js](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L172) 导出的 Module 对象上的 runMain 方法，不过我们在 loader.js 中并没有发现 runMain 函数，其实这个函数是在 [lib/internal/bootstrap/pre_execution.js](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/bootstrap/pre_execution.js#L428) 中被定义到 Module 对象上的：

function initializeCJSLoader() {
  const CJSLoader = require('internal/modules/cjs/loader');
  if (!noGlobalSearchPaths) {
    CJSLoader.Module._initPaths();
  }
  // TODO(joyeecheung): deprecate this in favor of a proper hook?
  CJSLoader.Module.runMain =
    require('internal/modules/run_main').executeUserEntryPoint;
}

在 [lib/internal/modules/run_main.js](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/modules/run_main.js#L74) 中找到 executeUserEntryPoint 方法：

function executeUserEntryPoint(main = process.argv[1]) {
  const resolvedMain = resolveMainPath(main);
  const useESMLoader = shouldUseESMLoader(resolvedMain);
  if (useESMLoader) {
    runMainESM(resolvedMain || main);
  } else {
    // Module._load is the monkey-patchable CJS module loader.
    Module._load(main, null, true);
  }
}

参数 main 即为我们传入的入口文件 index.js。可以看到，index.js 作为一个 cjs 模块应该被 Module._load 加载，那么 _load干了些什么呢？这个函数是 cjs 模块加载过程中最重要的一个函数，值得仔细阅读：

// `_load` 函数检查请求文件的缓存
// 1. 如果模块已经存在，返回已缓存的 exports 对象
// 2. 如果模块是内置模块，通过调用 `NativeModule.prototype.compileForPublicLoader()`
//    获取内置模块的 exports 对象，compileForPublicLoader 函数是有白名单的，只能获取公开
//    内置模块的 exports。
// 3. 以上两者皆为否，创建新的 Module 对象并保存到缓存中，然后通过它加载文件并返回其 exports。

// request：请求的模块，比如 `fs`，`./another-module`，'@pipcook/core' 等
// parent：父模块，如在 `a.js` 中 `require('b.js')`，那么这里的 request 为 'b.js',
           parent 为 `a.js` 对应的 Module 对象
// isMain: 除入口文件为 `true` 外，其他模块都为 `false`
Module._load = function(request, parent, isMain) {
  let relResolveCacheIdentifier;
  if (parent) {
    debug('Module._load REQUEST %s parent: %s', request, parent.id);
    // relativeResolveCache 是模块路径缓存，
    // 用于加速父模块所在目录下的所有模块请求当前模块时
    // 可以直接查询到实际路径，而不需要通过 _resolveFilename 查找文件
    relResolveCacheIdentifier = `${parent.path}\x00${request}`;
    const filename = relativeResolveCache[relResolveCacheIdentifier];
    if (filename !== undefined) {
      const cachedModule = Module._cache[filename];
      if (cachedModule !== undefined) {
        updateChildren(parent, cachedModule, true);
        if (!cachedModule.loaded)
          return getExportsForCircularRequire(cachedModule);
        return cachedModule.exports;
      }
      delete relativeResolveCache[relResolveCacheIdentifier];
    }
  }
    // 尝试查找模块文件路径，找不到模块抛出异常
  const filename = Module._resolveFilename(request, parent, isMain);
  // 如果是内置模块，从 `NativeModule` 加载
  if (StringPrototypeStartsWith(filename, 'node:')) {
    // Slice 'node:' prefix
    const id = StringPrototypeSlice(filename, 5);

    const module = loadNativeModule(id, request);
    if (!module?.canBeRequiredByUsers) {
      throw new ERR_UNKNOWN_BUILTIN_MODULE(filename);
    }

    return module.exports;
  }
    // 如果缓存中已存在，将当前模块 push 到父模块的 children 字段
  const cachedModule = Module._cache[filename];
  if (cachedModule !== undefined) {
    updateChildren(parent, cachedModule, true);
    // 处理循环引用
    if (!cachedModule.loaded) {
      const parseCachedModule = cjsParseCache.get(cachedModule);
      if (!parseCachedModule || parseCachedModule.loaded)
        return getExportsForCircularRequire(cachedModule);
      parseCachedModule.loaded = true;
    } else {
      return cachedModule.exports;
    }
  }
    // 尝试从内置模块加载
  const mod = loadNativeModule(filename, request);
  if (mod?.canBeRequiredByUsers) return mod.exports;

  // Don't call updateChildren(), Module constructor already does.
  const module = cachedModule || new Module(filename, parent);

  if (isMain) {
    process.mainModule = module;
    module.id = '.';
  }
    // 将 module 对象加入缓存
  Module._cache[filename] = module;
  if (parent !== undefined) {
    relativeResolveCache[relResolveCacheIdentifier] = filename;
  }

  // 尝试加载模块，如果加载失败则删除缓存中的 module 对象，
  // 同时删除父模块的 children 内的 module 对象。
  let threw = true;
  try {
    module.load(filename);
    threw = false;
  } finally {
    if (threw) {
      delete Module._cache[filename];
      if (parent !== undefined) {
        delete relativeResolveCache[relResolveCacheIdentifier];
        const children = parent?.children;
        if (ArrayIsArray(children)) {
          const index = ArrayPrototypeIndexOf(children, module);
          if (index !== -1) {
            ArrayPrototypeSplice(children, index, 1);
          }
        }
      }
    } else if (module.exports &&
               !isProxy(module.exports) &&
               ObjectGetPrototypeOf(module.exports) ===
                 CircularRequirePrototypeWarningProxy) {
      ObjectSetPrototypeOf(module.exports, ObjectPrototype);
    }
  }
    // 返回 exports 对象
  return module.exports;
};

module 对象上的 [load](https://github.com/nodejs/node/blob/881174e016d6c27b20c70111e6eae2296b6c6293/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L963) 函数用于执行一个模块的加载：

Module.prototype.load = function(filename) {
  debug('load %j for module %j', filename, this.id);

  assert(!this.loaded);
  this.filename = filename;
  this.paths = Module._nodeModulePaths(path.dirname(filename));

  const extension = findLongestRegisteredExtension(filename);
  // allow .mjs to be overridden
  if (StringPrototypeEndsWith(filename, '.mjs') && !Module._extensions['.mjs'])
    throw new ERR_REQUIRE_ESM(filename, true);

  Module._extensions[extension](this, filename);
  this.loaded = true;

  const esmLoader = asyncESM.esmLoader;
  // Create module entry at load time to snapshot exports correctly
  const exports = this.exports;
  // Preemptively cache
  if ((module?.module === undefined ||
       module.module.getStatus() < kEvaluated) &&
      !esmLoader.cjsCache.has(this))
    esmLoader.cjsCache.set(this, exports);
};

实际的加载动作是在 Module._extensions[extension](this, filename); 中进行的，根据扩展名的不同，会有不同的加载策略：

• .js：调用 fs.readFileSync 读取文件内容，将文件内容包在 wrapper 中，需要注意的是，这里的 require 是 Module.prototype.require 而非内置模块的 require 方法。

const wrapper = [
  '(function (exports, require, module, __filename, __dirname) { ',
  '\n});',
];

• .json：调用 fs.readFileSync 读取文件内容，并转换为对象。
• .node：调用 dlopen 打开 node 扩展。

而 Module.prototype.require 函数也是调用了静态方法 Module._load实现模块加载的：

Module.prototype.require = function(id) {
  validateString(id, 'id');
  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--;
  }
};

总结

看到这里，cjs 模块的加载过程已经基本清晰了：

• 初始化 node，加载 NativeModule，用于加载所有的内置的 js 和 c++ 模块

• 运行内置模块 run_main

• 在 run_main 中引入用户模块系统 module

• 通过 module 的 _load 方法加载入口文件，在加载时通过传入 module.require 和 module.exports 等让入口文件可以正常 require 其他依赖模块并递归让整个依赖树被完整加载。

在清楚了 cjs 模块加载的完整流程之后，我们还可以顺着这条链路阅读其他代码，比如 global 变量的初始化，esModule 的管理方式等，更深入地理解 node 内的各种实现。

更多node相关知识，请访问：nodejs 教程！

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