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Javascript 模块化指北

简介: 前言 随着 Web 技术的蓬勃发展和依赖的基础设施日益完善,前端领域逐渐从浏览器扩展至服务端(Node.js),桌面端(PC、Android、iOS),乃至于物联网设备(IoT),其中 JavaScript 承载着这些应用程序的核心部分,随着其规模化和复杂度的成倍增长,其软件工程体系也随之建立起来(协同开发、单元测试、需求和缺陷管理等),模块化编程的需求日益迫切。
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前言

随着 Web 技术的蓬勃发展和依赖的基础设施日益完善,前端领域逐渐从浏览器扩展至服务端(Node.js),桌面端(PC、Android、iOS),乃至于物联网设备(IoT),其中 JavaScript 承载着这些应用程序的核心部分,随着其规模化和复杂度的成倍增长,其软件工程体系也随之建立起来(协同开发、单元测试、需求和缺陷管理等),模块化编程的需求日益迫切。

JavaScript 对模块化编程的支持尚未形成规范,难以堪此重任;一时间,江湖侠士挺身而出,一路披荆斩棘,从刀耕火种过渡到面向未来的模块化方案;

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概念

模块化编程就是通过组合一些__相对独立可复用的模块__来进行功能的实现,其最核心的两部分是__定义模块__和__引入模块__;

  • 定义模块时,每个模块内部的执行逻辑是不被外部感知的,只是导出(暴露)出部分方法和数据;
  • 引入模块时,同步 / 异步去加载待引入的代码,执行并获取到其暴露的方法和数据;

刀耕火种

尽管 JavaScript 语言层面并未提供模块化的解决方案,但利用其可__面向对象__的语言特性,外加__设计模式__加持,能够实现一些简单的模块化的架构;经典的一个案例是利用单例模式模式去实现模块化,可以对模块进行较好的封装,只暴露部分信息给需要使用模块的地方;

// Define a module
var moduleA = (function ($, doc) {
  var methodA = function() {};
  var dataA = {};
  return {
    methodA: methodA,
    dataA: dataA
  };
})(jQuery, document);

// Use a module
var result = moduleA.mehodA();

直观来看,通过立即执行函数(IIFE)来声明依赖以及导出数据,这与当下的模块化方案并无巨大的差异,可本质上却有千差万别,无法满足的一些重要的特性;

  • 定义模块时,声明的依赖不是强制自动引入的,即在定义该模块之前,必须手动引入依赖的模块代码;
  • 定义模块时,其代码就已经完成执行过程,无法实现按需加载;
  • 跨文件使用模块时,需要将模块挂载到全局变量(window)上;

AMD & CMD 二分天下

题外话:由于年代久远,这两种模块化方案逐渐淡出历史舞台,具体特性不再细聊;

为了解决”刀耕火种”时代存留的需求,AMD 和 CMD 模块化规范问世,解决了在浏览器端的异步模块化编程的需求,__其最核心的原理是通过动态加载 script 和事件监听的方式来异步加载模块;__

AMD 和 CMD 最具代表的两个作品分别对应 require.js 和 sea.js;其主要区别在于依赖声明和依赖加载的时机,其中 require.js 默认在声明时执行, sea.js 推崇懒加载和按需使用;另外值得一提的是,CMD 规范的写法和 CommonJS 极为相近,只需稍作修改,就能在 CommonJS 中使用。参考下面的 Case 更有助于理解;

// AMD
define(['./a','./b'], function (moduleA, moduleB) {
  // 依赖前置
  moduleA.mehodA();
  console.log(moduleB.dataB);
  // 导出数据
  return {};
});
 
// CMD
define(function (requie, exports, module) {
  // 依赖就近
  var moduleA = require('./a');
  moduleA.mehodA();     

  // 按需加载
  if (needModuleB) {
    var moduleB = requie('./b');
    moduleB.methodB();
  }
  // 导出数据
  exports = {};
});

CommonJS

2009 年 ry 发布 Node.js 的第一个版本,CommonJS 作为其中最核心的特性之一,适用于服务端下的场景;历年来的考察和时间的洗礼,以及前端工程化对其的充分支持,CommonJS 被广泛运用于 Node.js 和浏览器;

// Core Module
const cp = require('child_process');
// Npm Module
const axios = require('axios');
// Custom Module
const foo = require('./foo');

module.exports = { axios };
exports.foo = foo;

规范

  • module (Object): 模块本身
  • exports (*): 模块的导出部分,即暴露出来的内容
  • require (Function): 加载模块的函数,获得目标模块的导出值(基础类型为复制,引用类型为浅拷贝),可以加载内置模块、npm 模块和自定义模块

实现

1、模块定义

默认任意 .node .js .json 文件都是符合规范的模块;

2、引入模块

首先从缓存(require.cache)优先读取模块,如果未命中缓存,则进行路径分析,然后按照不同类型的模块处理:

  • 内置模块,直接从内存加载;
  • 外部模块,首先进行文件寻址定位,然后进行编译和执行,最终得到对应的导出值;

其中在编译的过程中,Node对获取的JavaScript文件内容进行了头尾包装,结果如下:

(function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
    var circle = require('./circle.js');
    console.log('The area of a circle of radius 4 is ' + circle.area(4));
});

特性总结

  • 同步执行模块声明和引入逻辑,分析一些复杂的依赖引用(如循环依赖)时需注意;
  • 缓存机制,性能更优,同时限制了内存占用;
  • Module 模块可供改造的灵活度高,可以实现一些定制需求(如热更新、任意文件类型模块支持);

ES Module(推荐使用)

ES Module 是语言层面的模块化方案,由 ES 2015 提出,其规范与 CommonJS 比之 ,导出的值都可以看成是一个具备多个属性或者方法的对象,可以实现互相兼容;但写法上 ES Module 更简洁,与 Python 接近;

import fs from 'fs';
import color from 'color';
import service, { getArticles } from '../service'; 

export default service;
export const getArticles = getArticles;

主要差异在于:

  • ES Module 会对静态代码分析,即在代码编译时进行模块的加载,在运行时之前就已经确定了依赖关系(可解决循环引用的问题);
  • ES Module 关键字:import export 以及独有的 default 关键字,确定默认的导出值;
  • ES Module 中导出的值是一个 只读的值的引用 ,无论基础类型和复杂类型,而在 CommonJS 中 require 的是值的拷贝,其中复杂类型是值的浅拷贝;
// a.js
export let a = 1;
export function caculate() {
  a++;
};

// b.js
import { a, caculate } from 'a.js';

console.log(a); // 1
caculate();
console.log(a); // 2

a = 2; // Syntax Error: "a" is read-only

UMD

通过一层自执行函数来兼容各种模块化规范的写法,兼容 AMD / CMD / CommonJS 等模块化规范,贴上代码胜过千言万语,需要特别注意的是 ES Module 由于会对静态代码进行分析,故这种运行时的方案无法使用,此时通过 CommonJS 进行兼容;

(function (global, factory) {
  if (typeof exports === 'object') {   
    module.exports = factory();
  } else if (typeof define === 'function' && define.amd) {
    define(factory);
  } else {
    this.eventUtil = factory();
  }
})(this, function (exports) {
 ​ // Define Module
  Object.defineProperty(exports, "__esModule", {
    value: true
  });
  exports.default = 42;
});

构建工具中的实现

为了在浏览器环境中运行模块化的代码,需要借助一些模块化打包的工具进行打包( 以 webpack 为例),定义了项目入口之后,会先快速地进行依赖的分析,然后将所有依赖的模块转换成浏览器兼容的对应模块化规范的实现;

模块化的基础

从上面的介绍中,我们已经对其规范和实现有了一定的了解;在浏览器中,要实现 CommonJS 规范,只需要实现 module / exports / require / global 这几个属性,由于浏览器中是无法访问文件系统的,因此 require 过程中的文件定位需要改造为加载对应的 JS 片段(webpack 采用的方式为通过函数传参实现依赖的引入)。具体实现可以参考:tiny-browser-require

webpack 打包出来的代码快照如下,注意看注释中的时序;

(function (modules) {
  // The module cache
  var installedModules = {};
  // The require function
  function __webpack_require__(moduleId) {}
  return __webpack_require__(0); // ---> 0
})
({
  0: function (module, exports, __webpack_require__) {
    // Define module A
    var moduleB = __webpack_require__(1); // ---> 1
  },
  1: function (module, exports, __webpack_require__) {
    // Define module B
    exports = {}; // ---> 2
  }
});

实际上,ES Module 的处理同 CommonJS 相差无几,只是在定义模块和引入模块时会去处理 __esModule 标识,从而兼容其在语法上的差异。

异步和扩展

1、浏览器环境下,网络资源受到较大的限制,因此打包出来的文件如果体积巨大,对页面性能的损耗极大,因此需要对构建的目标文件进行拆分,同时模块也需要支持动态加载;

webpack 提供了两个方法 require.ensure() 和 import() (推荐使用)进行模块的动态加载,至于其中的原理,跟上面提及的 AMD & CMD 所见略同,import() 执行后返回一个 Promise 对象,其中所做的工作无非也是动态新增 script 标签,然后通过 onload / onerror 事件进一步处理。

2、由于 require 函数是完全自定义的,我们可以在模块化中实现更多的特性,比如通过修改 require.resolve 或 Module._extensions 扩展支持的文件类型,使得 css / .jsx / .vue / 图片等文件也能为模块化所使用;

附录1:特性一览表

模块化规范 加载方式 加载时机 运行环境 备注
AMD 异步 运行时 浏览器
CMD 异步 运行时 浏览器 依赖基于静态分析,require 时已经 module ready
CommonJS 同步/异步 运行时 浏览器 / Node
ES Module 同步/异步 编译阶段 浏览器 / Node 通过 import() 实现异步加载

附录2:参考

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