JS 模块化从入⻔到精通

2024-01-02 15:42:34

JS 模块化从入⻔到精通

在 WEB 开发的早期，为了团队协作和代码维护的方便，许多开发者会选择将 JavaScript 代码分开写在不 同的文件里面，然后通过多个 script 标签来加载它们。

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

虽然每个代码块处在不同的文件中，但最终所有 JS 变量还是会处在同一个 全局作用域 下，这时候就需 要额外注意由于作用域 变量提升 所带来的问题。

 <!-- index.html -->
<script>
	// a.js
	var num = 1;
	setTimeout(() => console.log(num), 1000); 
</script>

<script>
	// b.js
	var num = 2; 
</script>

在这个例子中，我们分别加载了两个 script 标签，两段 JS 都声明了 num 变量。第一段脚本的本意本 来是希望在 1s 后打印自己声明的 num 变量 1 。但最终运行结果却打印了第二段脚本中的 num 变量 的结果 2 。虽然两段代码写在不同的文件中，但是因为运行时声明变量都在全局下，最终产生了冲突。
同时，如果代码块之间有依赖关系的话，需要额外关注脚本加载的顺序。如果文件依赖顺序有改动，就 需要在 html 手动变更加载标签的顺序，非常麻烦。

要解决这样的问题，我们就需要将这些脚本文件「模块化」:

  1. 每个模块都要有自己的 变量作用域，两个模块之间的内部变量不会产生冲突。
  2. 不同模块之间保留相互 导入和导出 的方式方法，模块间能够相互通信。模块的执行与加载遵循一
    定的规范，能保证彼此之间的依赖关系。

主流的编程语言都有处理模块的关键词，在这些语言中，模块与模块之间的内部变量相互不受影响。同 时，也可以通过关键字进行模块定义，引入和导出等等，例如 JAVA 里的 module 关键词，python 中的
import 。

但是 JavaScript 这⻔语言在 Ecmascript6 规范之前并没有语言层面的模块导入导出关键词及相关规范。
为了解决这样的问题，不同的 JS 运行环境分别有着自己的解决方案。

一. CommonJS 规范初探

Node.js 就是一个基于 V8 引擎，事件驱动 I/O 的服务端 JS 运行环境，在 2009 年刚推出时，它就实现了 一套名为 CommonJS 的模块化规范。

在 CommonJS 规范里，每个 JS 文件就是一个 模块(module) ，每个模块内部可以使用 require 函数和 module.exports 对象来对模块进行导入和导出。

 // 一个比较简单的 CommonJS 模块
const moduleA = require("./moduleA"); // 获取相邻的相对路径 `./moduleA` 文件导出的结果 
module.exports = moduleA; // 导出当前模块内部 moduleA 的值

下面这三个模块稍微复杂一些，它们都是合法的 CommonJS 模块:

 // index.js
require("./moduleA");
var m = require("./moduleB"); 
console.log(m);

// moduleA.js
var m = require("./moduleB"); 
setTimeout(() => console.log(m), 1000);

// moduleB.js
var m = new Date().getTime(); 
module.exports = m;
  • index.js代表的模块通过执行 require 函数，分别加载了相对路径为 ./moduleA 和 ./moduleB 的 两个模块，同时输出 moduleB 模块的结果。
  • moduleA.js 文件内也通过 require 函数加载了 moduleB.js 模块，在 1s 后也输出了加载进来的结 果。
  • moduleB.js 文件内部相对来说就简单的多，仅仅定义了一个时间戳，然后直接通过 module.exports 导出。

它们之间的 物理关系 和 逻辑关系 如下图:
JS 模块化从入⻔到精通
在装有 Node.js 的机器上，我们可以直接执行 node index.js 查看输出的结果。我们可以发现，无论执行 多少次，最终输出的两行结果均相同。
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虽然这个例子非常简单，但是我们却可以发现 CommonJS 完美的解决了最开始我们提出的痛点:

  1. 模块之间内部即使有相同的变量名，它们运行时没有冲突。 这说明它有处理模块变量作用域的能 力。 上面这个例子中三个模块中均有 m变量，但是并没有冲突。
  2. moduleB 通过 module.exports 导出了一个内部变量，而它在 moduleA 和 index 模块中能被加载。 这说明它有导入导出模块的方式，同时能够处理基本的依赖关系。
  3. 我们在不同的模块加载了 moduleB 两次，我们得到了相同的结果。这说明它保证了模块单例。

但是，这样的 CommonJS 模块只能在 Node.js 环境中才能运行，直接在其他环境中运行这样的代码模块 就会报错。这是因为只有 node 才会在解析 JS 的过程中提供一个 require 方法，这样当解析器执行代码 时，发现有模块调用了 require 函数，就会通过参数找到对应模块的物理路径，通过系统调用从硬盘读 取文件内容，解析这段内容最终拿到导出结果并返回。而其他运行环境并不一定会在解析时提供这么一 个 require 方法，也就不能直接运行这样的模块了。

从它的执行过程也能看出来 CommonJS 是一个 同步加载模块 的模块化规范，每当一个模块 require 一 个子模块时，都会停止当前模块的解析直到子模块读取解析并加载。

二. 适合 WEB 开发的 AMD 模块化规范

另一个为 WEB 开发者所熟知的 JS 运行环境就是浏览器了。浏览器并没有提供像 Node.js 里一样的 require 方法。不过，受到 CommonJS 模块化规范的启发，WEB 端还是逐渐发展起来了 AMD，SystemJS 规范等适合浏览器端运行的 JS 模块化开发规范。

AMD 全称 Asynchronous module definition，意为 异步的模块定义，不同于 CommonJS 规范的同步加 载，AMD 正如其名所有模块默认都是异步加载，这也是早期为了满足 web 开发的需要，因为如果在 web 端也使用同步加载，那么⻚面在解析脚本文件的过程中可能使⻚面暂停响应。

而 AMD 模块的定义与 CommonJS 稍有不同，上面这个例子的三个模块分别改成 AMD 规范就类似这样:

// index.js
require(['moduleA', 'moduleB'], function(moduleA, moduleB) { 
	console.log(moduleB);
});

// moduleA.js
define(function(require) {
	var m = require('moduleB'); 
	setTimeout(() => console.log(m), 1000);
});

// moduleB.js
define(function(require) {
	var m = new Date().getTime(); 
	return m;
});

我们可以对比看到，AMD 规范也支持文件级别的模块，模块 ID 默认为文件名，在这个模块文件中，我 们需要使用 define 函数来定义一个模块，在回调函数中接受定义组件内容。这个回调函数接受一个 require 方法，能够在组件内部加载其他模块，这里我们分别传入模块 ID，就能加载对应文件内的 AMD 模块。不同于 CommonJS 的是，这个回调函数的返回值即是模块导出结果。

差异比较大的地方在于我们的入口模块，我们定义好了 moduleA 和 moduleB 之后，入口处需要加载进 来它们，于是乎就需要使用 AMD 提供的 require 函数，第一个参数写明入口模块的依赖列表，第二个 参数作为回调参数依次会传入前面依赖的导出值，所以这里我们在 index.js 中只需要在回调函数中打印 moduleB 传入的值即可。

Node.js 里我们直接通过 node index.js 来查看模块输出结果，在 WEB 端我们就需要使用一个 html 文 件，同时在里面加载这个入口模块。这里我们再加入一个 index.html 作为浏览器中的启动入口。

如果想要使用 AMD 规范，我们还需要添加一个符合 AMD 规范的加载器脚本在⻚面中，符合 AMD 规范实 现的库很多，比较有名的就是 require.js。

<html>
	<!-- 此处必须加载 require.js 之类的 AMD 模块化库之后才可以继续加载模块--> 
	<script src="/require.js"></script>
	<!-- 只需要加载入口模块即可 -->
	<script src="/index.js"></script>
</html>

使用 AMD 规范改造项目之后的关系如下图，在物理关系里多了两个文件，但是模块间的逻辑关系仍与 之前相同。
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启动静态服务之后我们打开浏览器中的控制台，无论我们刷新多少次⻚面，同 Node.js 的例子一样，输 出的结果均相同。同时我们还能看到，虽然我们只加载了 index.js 也就是入口模块，但当使用到 moduleA 和 moduleB 的时候，浏览器就会发请求去获取对应模块的内容。
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从结果上来看，AMD 与 CommonJS 一样，都完美的解决了上面说的 变量作用域 和 依赖关系 之类的问 题。但是 AMD 这种默认异步，在回调函数中定义模块内容，相对来说使用起来就会麻烦一些。

同样的，AMD 的模块也不能直接运行在 node 端，因为内部的 define 函数， require 函数都必须配合 在浏览器中加载 require.js 这类 AMD 库才能使用。

三. 能同时被 CommonJS 规范和 AMD 规范加载的 UMD 模块

有时候我们写的模块需要同时运行在浏览器端和 Node.js 里面，这也就需要我们分别写一份 AMD 模块和 CommonJS 模块来运行在各自环境，这样如果每次模块内容有改动还得去两个地方分别进行更改，就比 较麻烦。

// 一个返回随机数的模块，浏览器使用的 AMD 模块 // math.js
define(function() {
	return function() { 
		return Math.random();
	} 
});

// 一个返回随机数的模块，Node.js 使用的 CommonJS 模块 
module.exports = function() {
	return Math.random(); 
}

基于这样的问题， UMD(Universal Module Definition) 作为一种 同构(isomorphic) 的模块化解决方案出 现，它能够让我们只需要在一个地方定义模块内容，并同时兼容 AMD 和 CommonJS 语法。

写一个 UMD 模块也非常简单，我们只需要判断一下这些模块化规范的特征值，判断出当前究竟在哪种 模块化规范的环境下，然后把模块内容用检测出的模块化规范的语法导出即可。

(function(self, factory) {
	if (typeof module === 'object' && typeof module.exports === 'object') {
		// 当前环境是 CommonJS 规范环境
		module.exports = factory();
	} else if (typeof define === 'function' && define.amd) {
		// 当前环境是 AMD 规范环境
	    define(factory)
	} else {
		// 什么环境都不是，直接挂在全局对象上
		self.umdModule = factory(); 
	}
}(this, function() { 
	return function() {
		return Math.random(); 
	}
}));

上面就是一种定义 UMD 模块的方式，我们可以看到首先他会检测当前加载模块的规范究竟是什么。如 果 module.exports在当前环境中为对象，那么肯定为 CommonJS，我们就能用 module.exports 导出模 块内容。如果当前环境中有 define 函数并且 define.amd 为 true ，那我们就可以使用 AMD 的 define 函数来定义一个模块。最后，即使没检测出来当前环境的模块化规范，我们也可以直接把模块内容挂载 在全局对象上，这样也能加载到模块导出的结果。

四. ESModule 规范

前面我们说到的 CommonJS 规范和 AMD 规范有这么几个特点:

  1. 语言上层的运行环境中实现的模块化规范，模块化规范由环境自己定义。
  2. 相互之间不能共用模块。例如不能在 Node.js 运行 AMD 模块，不能直接在浏览器运行 CommonJS
    模块。

在 EcmaScript 2015 也就是我们常说的 ES6 之后，JS 有了语言层面的模块化导入导出关键词与语法以及 与之匹配的 ESModule 规范。使用 ESModule 规范，我们可以通过 import 和 export 两个关键词来对模 块进行导入与导出。

还是之前的例子，使用 ESModule 规范和新的关键词就需要这样定义:

// index.js
import './moduleA';
import m from './moduleB'; 
console.log(m);

// moduleA.js
import m from './moduleB'; 
setTimeout(()) => console.log(m), 1000);

// moduleB.js
var m = new Date().getTime(); 
export default m;

ESModule 与 CommonJS 和 AMD 最大的区别在于，ESModule 是由 JS 解释器实现，而后两者是在宿主环境中运行时实现。ESModule 导入实际上是在语法层面新增了一个语句，而 AMD 和 CommonJS 加载模块 实际上是调用了 require 函数。

// 这是一个新的语法，我们没办法兼容，如果浏览器无法解析就会报语法错误
import moduleA from "./moduleA";

// 我们只需要新增加一个 require 函数，就可以首先保证 AMD 或 CommonJS 模块不报语法错误 
function require() {}
const moduleA = require("./moduleA");

ESModule 规范支持通过这些方式导入导出代码，具体使用哪种情况得根据如何导出来决定:

import { var1, var2 } from './moduleA'; 
import * as vars from './moduleB'; import m from './moduleC';
export default { 
	var1: 1, 
	var2: 2
}

export const var1 = 1;

const obj = { var1, var2 };
export default obj;

这里又一个地方需要额外指出， import {var1} from "./moduleA"这里的括号并不代表获取结果是个对象， 虽然与 ES6 之后的对象解构语法非常相似。

// 这些用法都是错误的，这里不能使用对象默认值，对象 key 为变量这些语法 import {var1 = 1} from "./moduleA"
import {[test]: a} from "./moduleA";

// 这个才是 ESModule 导入语句种正确的重命名方式 
import {var1 as customVar1} from "./moduleA";
// 这些用法都是合理的，因为 CommonJS 导出的就是个对象，我们可以用操作对象的方式来操作导出结果 

const {var1 = 1} = require("./moduleA");
const {[test]: var1 = a} = require("./moduleA");

// 这种用法是错误的，因为对象不能这么使用
const {var1 as customVar1} = require("./moduleA");

用一张图来表示各种模块规范语法和它们所处环境之间的关系:
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每个 JS 的运行环境都有一个解析器，否则这个环境也不会认识 JS 语法。它的作用就是用 ECMAScript 的 规范去解释 JS 语法，也就是处理和执行语言本身的内容，例如按照逻辑正确执行 var a = "123"; ，function func() {console.log("hahaha");}之类的内容。

在解析器的上层，每个运行环境都会在解释器的基础上封装一些环境相关的 API。例如 Node.js 中的 global对象、 process对象，浏览器中的 window 对象， document 对象等等。这些运行环境的 API
受到各自规范的影响，例如浏览器端的 W3C 规范，它们规定了 window 对象和 document 对象上的 API 内容，以使得我们能让 document.getElementById这样的 API 在所有浏览器上运行正常。

事实上，类似于 setTimeout 和 console 这样的 API，大部分也不是 JS Core 层面的，只不过是所有运 行环境实现了相似的结果。

setTimeout在 ES7 规范之后才进入 JS Core 层面，在这之前都是浏览器和 Node.js 等环境进行实现。

console 类似 promise ，有自己的规范，但实际上也是环境自己进行实现的，这也就是为什么 Node.js 的 console.log 是异步的而浏览器是同步的一个原因。同时，早期的 Node.js 版本是可以使用 sys.puts 来代替 console.log 来输出至 stdout 的。

ESModule 就属于 JS Core 层面的规范，而 AMD，CommonJS 是运行环境的规范。所以，想要使运行环 境支持 ESModule 其实是比较简单的，只需要升级自己环境中的 JS Core 解释引擎到足够的版本，引擎 层面就能认识这种语法，从而不认为这是个 **语法错误(syntax error) **，运行环境中只需要做一些兼容工作即可。

Node.js 在 V12 版本之后才可以使用 ESModule 规范的模块，在 V12 没进入 LTS 之前，我们需要加上 -- experimental-modules 的 flag 才能使用这样的特性，也就是通过 node --experimental-modules index.js 来 执行。浏览器端 Chrome 61 之后的版本可以开启支持 ESModule 的选项，只需要通过 `` 这样的标签加载 即可。

这也就是说，如果想在 Node.js 环境中使用 ESModule，就需要升级 Node.js 到高版本，这相对来说比较 容易，毕竟服务端 Node.js 版本控制在开发人员自己手中。但浏览器端具有分布式的特点，是否能使用 这种高版本特性取决于用户访问时的版本，而且这种解释器语法层面的内容无法像 AMD 那样在运行时 进行兼容，所以想要直接使用就会比较麻烦。

五. 后模块化时代

通过前面的分析我们可以看出来，使用 ESModule 的模块明显更符合 JS 开发的历史进程，因为任何一个 支持 JS 的环境，随着对应解释器的升级，最终一定会支持 ESModule 的标准。但是，WEB 端受制于用户 使用的浏览器版本，我们并不能随心所欲的随时使用 JS 的最新特性。为了能让我们的新代码也运行在 用户的老浏览器中，社区涌现出了越来越多的工具，它们能静态将高版本规范的代码编译为低版本规范 的代码，最为大家所熟知的就是 babel 。

它把 JS Core 中高版本规范的语法，也能按照相同语义在静态阶段转化为低版本规范的语法，这样即使 是早期的浏览器，它们内置的 JS 解释器也能看懂。

JS 模块化从入⻔到精通
然后，不幸的是，对于模块化相关的 import 和 export关键字， babel 最终会将它编译为包含 require 和 exports 的 CommonJS 规范。 点击连接在线查看编译结果

这就造成了另一个问题，这样带有模块化关键词的模块，编译之后还是没办法直接运行在浏览器中，因 为浏览器端并不能运行 CommonJS 的模块。为了能在 WEB 端直接使用 CommonJS 规范的模块，除了编译之外，我们还需要一个步骤叫做 打包(bundle) 。

所以打包工具比如 webpack / rollup ，编译工具 babel 它们之间的区别和作用就很清楚了：

  • 打包工具主要处理的是 JS 不同版本间模块化的区别
  • 编译工具主要处理的是 JS 版本间语义的问题
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