ES6学习☞Module的加载实现

浏览器加载

传统方法

HTML网页中,浏览器通过<script>标签加载JavaScript脚本。

<!-- 页面内嵌的脚本 -->
<script type="application/javascript">
  // module code
</script>
<!-- 外部脚本 -->
<script type="application/javascript" src="path/to/myModule.js">
</script>

上面代码中,由于浏览器脚本的默认语言是JavaScript,因此type="application/javascript"可以省略。
默认情况下,浏览器是同步加载JavaScript脚本,即渲染引擎遇到<script>标签就会停下来,等到执行完脚本,再继续向下渲染。如果是外部脚本,还必须加入脚本下载的时间。
如果脚本体积很大,下载和执行的时间就会很长,因此造成浏览器堵塞,用户会感觉到浏览器“卡死”了,没有任何响应。这显然是很不好的体验,所以浏览器允许脚本异步加载,下面就是两种异步加载的语法。

<script src="path/to/myModule.js" defer></script>
<script src="path/to/myModule.js" async></script>

上面代码中,<script>标签打开deferasync属性,脚本就会异步加载。渲染引擎遇到这一行命令,就会开始下载外部脚本,但不会等它下载和执行,而是直接执行后面的命令。
deferasync的区别是:defer要等到整个页面在内存中正常渲染结束(DOM结构完全生成,以及其他脚本执行完成),才会执行;async一旦下载完,渲染引擎就会中断渲染,执行这个脚本以后,再继续渲染。一句话,defer是渲染完再执行,async是下载完就执行。另外,如果有多个defer脚本,会按照它们在页面出现的顺序加载,而多个async脚本是不能保证加载顺序的。

加载规则

浏览器加载ES6模块,也使用<script>标签,但是要加入type="module"属性。

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

浏览器对于带有type="module"<script>,都是异步加载,不会造成堵塞浏览器,即等到整个页面渲染完,再执行模块脚本,等同于打开了<script>标签的defer属性。
如果网页有多个<script type="module">,它们会按照在页面出现的顺序依次执行。
<script>标签的async属性也可以打开,这时只要加载完成,渲染引擎就会中断渲染立即执行。执行完成后,再恢复渲染。

<script type="module" src="./foo.js" async></script>

一旦使用了async属性,<script type="module">就不会按照在页面出现的顺序执行,而是只要该模块加载完成,就执行该模块。
ES6模块也允许内嵌在网页中,语法行为与加载外部脚本完全一致。

<script type="module">
  import utils from "./utils.js";
  // other code
</script>

对于外部的模块脚本(上例是foo.js),有几点需要注意。

  • 代码是在模块作用域之中运行,而不是在全局作用域运行。模块内部的顶层变量,外部不可见。
  • 模块脚本自动采用严格模式,不管有没有声明use strict
  • 模块之中,可以使用import命令加载其他模块(.js后缀不可省略,需要提供绝对URL或相对URL),也可以使用export命令输出对外接口。
  • 模块之中,顶层的this关键字返回undefined,而不是指向window。也就是说,在模块顶层使用this关键字,是无意义的。
  • 同一个模块如果加载多次,将只执行一次。

下面是一个示例模块。

import utils from 'https://example.com/js/utils.js';
const x = 1;
console.log(x === window.x); //false
console.log(this === undefined); // true

利用顶层的this等于undefined这个语法点,可以侦测当前代码是否在ES6模块之中。

const isNotModuleScript = this !== undefined;

ES6模块与CommonJS模块的差异

ES6模块与CommonJS模块完全不同。它们有两个重大差异。

  • CommonJS模块输出的是一个值的拷贝,ES6模块输出的是值的引用
  • CommonJS模块是运行时加载,ES6模块是编译时输出接口

第二个差异是因为CommonJS加载的是一个对象(即module.exports属性),该对象只有在脚本运行完才会生成。而ES6模块不是对象,它的对外接口只是一种静态定义,在代码静态解析阶段就会生成。
CommonJS模块输出的是值的拷贝,也就是说,一旦输出一个值,模块内部的变化就影响不到这个值。

// lib.js
var counter = 3;
function incCounter() {
  counter++;
}
module.exports = {
  counter: counter,
  incCounter: incCounter,
};
// main.js
var mod = require('./lib');
console.log(mod.counter);  // 3
mod.incCounter();
console.log(mod.counter); // 3

上面代码说明,lib.js模块加载以后,它的内部变化就影响不到输出的mod.counter了。这是因为mod.counter是一个原始类型的值,会被缓存。除非写成一个函数,才能得到内部变动后的值。

// lib.js
var counter = 3;
function incCounter() {
  counter++;
}
module.exports = {
  get counter() {
    return counter
  },
  incCounter: incCounter,
};

上面代码中,输出的counter属性实际上是一个取值器函数。现在再执行main.js,就可以正确读取内部变量counter的变动了。

$ node main.js
3
4

ES6模块的运行机制与CommonJS不一样。JS引擎对脚本静态分析的时候,遇到模块加载命令import,就会生成一个只读引用。等到脚本真正执行时,再根据这个只读引用,到被加载的那个模块里面去取值。
因此,ES6模块是动态引用,并且不会缓存值,模块里面的变量绑定其所在的模块。

// lib.js
export let counter = 3;
export function incCounter() {
  counter++;
}
// main.js
import { counter, incCounter } from './lib';
console.log(counter); // 3
incCounter();
console.log(counter); // 4

再举一个例子。

// m1.js
export var foo = 'bar';
setTimeout(() => foo = 'baz', 500);
// m2.js
import {foo} from './m1.js';
console.log(foo);
setTimeout(() => console.log(foo), 500);

上面代码中,m1.js的变量foo,在刚加载时等于bar,过了500毫秒,又变为等于baz
运行结果:

$ babel-node m2.js
bar
baz

上面代码表明,ES6模块不会缓存运行结果,而是动态地去被加载的模块取值,并且变量总是绑定其所在的模块。
由于ES6输入的模块变量,只是一个“符号连接”,所以这个变量是只读的,对它进行重新赋值会报错。

// lib.js
export let obj = {};
// main.js
import { obj } from './lib';
obj.prop = 123; // OK
obj = {}; // TypeError

最后,export通过接口,输出的是同一个值。不同的脚本加载这个接口,得到的都是同样的实例。

// mod.js
function C() {
  this.sum = 0;
  this.add = function () {
    this.sum += 1;
  };
  this.show = function () {
    console.log(this.sum);
  };
}
export let c = new C();

上面的脚本mod.js,输出的是一个C的实例。不同的脚本加载这个模块,得到的都是同一个实例。

// x.js
import {c} from './mod';
c.add();
// y.js
import {c} from './mod';
c.show();
// main.js
import './x';
import './y';

现在执行main.js,输出的是1。

$ babel-node main.js
1

这就证明了x.jsy.js加载的都是c的同一个实例。

Node加载

概述

Node对ES6模块的处理比较麻烦,因为它有自己的CommonJS模块格式,与ES6模块格式是不兼容的。目前的解决方案是,将两者分开,ES6模块和CommonJS采用各自的加载方案。
Node要求ES6模块采用.mjs后缀文件名。也就是说,只要脚本文件里面使用import或者export命令,那么就必须采用.mjs后缀名。require命令不能加载.mjs文件,会报错,只有import命令才可以加载.mjs文件。反过来,.mjs文件里面也不能使用require命令,必须使用import
目前,这项功能还在试验阶段。安装Node v8.5.0或以上版本,要用--experimental-modules参数才能打开该功能。

$ node --experimental-modules my-app.mjs

为了与浏览器的import加载规则相同,Node的.mjs文件支持URL路径。

import './foo?query=1'; // 加载 ./foo 传入参数 ?query=1

上面代码中,脚本路径带有参数?query=1,Node会按URL规则解读。同一个脚本只要参数不同,就会被加载多次,并且保存成不同的缓存。由于这个原因,只要文件名中含有:、%、#、?等特殊字符,最好对这些字符进行转义。
目前,Node的import命令只支持加载本地模块(file:协议),不支持加载远程模块。
如果模块名不含路径,那么import命令会去node_modules目录寻找这个模块。

import 'baz';
import 'abc/123';

如果模块名包含路径,那么import命令会按照路径去寻找这个名字的脚本文件。

import 'file:///etc/config/app.json';
import './foo';
import './foo?search';
import '../bar';
import '/baz';

如果脚本文件省略了后缀名,比如import './foo',Node会依次尝试四个后缀名:./foo.mjs./foo.js./foo.json./foo.node。如果这些脚本文件都不存在,Node就会去加载./foo/package.jsonmain字段指定的脚本。如果./foo/package.json不存在或者没有main字段,那么就会依次加载./foo/index.mjs./foo/index.js./foo/index.json./foo/index.node。如果以上四个文件还是都不存在,就会抛出错误。
最后,Node的import命令是异步加载,这一点与浏览器的处理方法相同。

内部变量

ES6模块应该是通用的,同一个模块不用修改,就可以用在浏览器环境和服务器环境。为了达到这个目标,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。
首先,就是this关键字。ES6模块之中,顶层的this指向undefined;CommonJS模块的顶层this指向当前模块,这是两者的一个重大差异。
其次,以下这些顶层变量在ES6模块之中都是不存在的。

arguments
require
module
exports
__filename
__dirname

如果你一定要使用这些变量,有一个变通方法,就是写一个CommonJS模块输出这些变量,然后再用 ES6模块加载这个CommonJS模块。但是这样一来,该ES6模块就不能直接用于浏览器环境了,所以不推荐这样做。

// expose.js
module.exports = {__dirname};
// use.mjs
import expose from './expose.js';
const {__dirname} = expose;

上面代码中,expose.js是一个CommonJS模块,输出变量__dirname,该变量在ES6模块之中不存在。ES6模块加载expose.js,就可以得到__dirname

ES6模块加载CommonJS模块

CommonJS模块的输出都定义在module.exports这个属性上面。Node的import命令加载CommonJS模块,Node会自动将module.exports属性,当作模块的默认输出,即等同于export default xxx
下面是一个CommonJS模块。

// a.js
module.exports = {
  foo: 'hello',
  bar: 'world'
};
// 等同于
export default {
  foo: 'hello',
  bar: 'world'
};

import命令加载上面的模块,module.exports会被视为默认输出,即import命令实际上输入的是这样一个对象{ default: module.exports }
所以,一共有三种写法,可以拿到CommonJS模块的module.exports

// 写法一
import baz from './a';
// baz = {foo: 'hello', bar: 'world'};
// 写法二
import {default as baz} from './a';
// baz = {foo: 'hello', bar: 'world'};
// 写法三
import * as baz from './a';
// baz = {
//   get default() {return module.exports;},
//   get foo() {return this.default.foo}.bind(baz),
//   get bar() {return this.default.bar}.bind(baz)
// }

上面代码的第三种写法,可以通过baz.default拿到module.exportsfoo属性和bar属性就是可以通过这种方法拿到了module.exports
下面是一些例子。

// b.js
module.exports = null;
// es.js
import foo from './b';
// foo = null;
import * as bar from './b';
// bar = { default:null };

上面代码中,es.js采用第二种写法时,要通过bar.default这样的写法,才能拿到module.exports

// c.js
module.exports = function two() {
  return 2;
};
// es.js
import foo from './c';
foo(); // 2
import * as bar from './c';
bar.default(); // 2
bar(); // throws, bar is not a function

上面代码中,bar本身是一个对象,不能当作函数调用,只能通过bar.default调用。
CommonJS模块的输出缓存机制,在ES6加载方式下依然有效。

// foo.js
module.exports = 123;
setTimeout(_ => module.exports = null);

上面代码中,对于加载foo.js的脚本,module.exports将一直是123,而不会变成null
由于ES6模块是编译时确定输出接口,CommonJS模块是运行时确定输出接口,所以采用import命令加载CommonJS模块时,不允许采用下面的写法。

// 不正确
import { readFile } from 'fs';

上面的写法不正确,因为fs是CommonJS格式,只有在运行时才能确定readFile接口,而import命令要求编译时就确定这个接口。解决方法就是改为整体输入。

// 正确的写法一
import * as express from 'express';
const app = express.default();
// 正确的写法二
import express from 'express';
const app = express();

CommonJS模块加载ES6模块

CommonJS模块加载ES6模块,不能使用require命令,而要使用import()函数。ES6模块的所有输出接口,会成为输入对象的属性。

// es.mjs
let foo = { bar: 'my-default' };
export default foo;
// cjs.js
const es_namespace = await import('./es.mjs');
// es_namespace = {
//   get default() {
//     ...
//   }
// }
console.log(es_namespace.default);
// { bar:'my-default' }

上面代码中,default接口变成了es_namespace.default属性。
下面是另一个例子。

// es.js
export let foo = { bar:'my-default' };
export { foo as bar };
export function f() {};
export class c {};
// cjs.js
const es_namespace = await import('./es');
// es_namespace = {
//   get foo() {return foo;}
//   get bar() {return foo;}
//   get f() {return f;}
//   get c() {return c;}
// }

循环加载

循环加载指的是,a脚本的执行依赖b脚本,而b脚本的执行又依赖a脚本。

// a.js
var b = require('b');
// b.js
var a = require('a');

通常,循环加载表示存在强耦合,如果处理不好,还可能导致递归加载,使得程序无法执行,因此应该避免出现。
目前最常见的两种模块格式CommonJS和ES6,处理“循环加载”的方法是不一样的,返回的结果也不一样。

CommonJS模块的加载原理

CommonJS的一个模块,就是一个脚本文件。require命令第一次加载该脚本,就会执行整个脚本,然后在内存生成一个对象。

{
  id: '...',
  exports: { ... },
  loaded: true,
  ...
}

上面代码就是Node内部加载模块后生成的一个对象。该对象的id属性是模块名,exports属性是模块输出的各个接口,loaded属性是一个布尔值,表示该模块的脚本是否执行完毕。其他还有很多属性,这里都省略了。
以后需要用到这个模块的时候,就会到exports属性上面取值。即使再次执行require命令,也不会再次执行该模块,而是到缓存之中取值。也就是说,CommonJS模块无论加载多少次,都只会在第一次加载时运行一次,以后再加载,就返回第一次运行的结果,除非手动清除系统缓存。

CommonJS模块的循环加载

CommonJS模块的重要特性是加载时执行,即脚本代码在require的时候,就会全部执行。一旦出现某个模块被"循环加载",就只输出已经执行的部分,还未执行的部分不会输出。

// a.js
exports.done = false;
var b = require('./b.js');
console.log('在 a.js 之中,b.done = %j', b.done);
exports.done = true;
console.log('a.js 执行完毕');

上面代码之中,a.js脚本先输出一个done变量,然后加载另一个脚本文件b.js。注意,此时a.js代码就停在这里,等待b.js执行完毕,再往下执行。

// b.js
exports.done = false;
var a = require('./a.js');
console.log('在 b.js 之中,a.done = %j', a.done);
exports.done = true;
console.log('b.js 执行完毕');

上面代码之中,b.js执行到第二行,就会去加载a.js,这时,就发生了“循环加载”。系统会去a.js模块对应对象的exports属性取值,可是因为a.js还没有执行完,从exports属性只能取回已经执行的部分,而不是最后的值。
a.js已经执行的部分,只有一行。

exports.done = false;

因此,对于b.js来说,它从a.js只输入一个变量done,值为false
然后,b.js接着往下执行,等到全部执行完毕,再把执行权交还给a.js。于是,a.js接着往下执行,直到执行完毕。我们写一个脚本main.js,验证这个过程。

var a = require('./a.js');
var b = require('./b.js');
console.log('在 main.js 之中, a.done=%j, b.done=%j', a.done, b.done);

执行main.js,运行结果如下。

$ node main.js

在 b.js 之中,a.done = false
b.js 执行完毕
在 a.js 之中,b.done = true
a.js 执行完毕
在 main.js 之中, a.done=true, b.done=true

上面的代码证明了两件事。一是,在b.js之中,a.js没有执行完毕,只执行了第一行。二是,main.js执行到第二行时,不会再次执行b.js,而是输出缓存的b.js的执行结果,即它的第四行。

exports.done = true;

总之,CommonJS输入的是被输出值的拷贝,不是引用。
另外,由于CommonJS模块遇到循环加载时,返回的是当前已经执行的部分的值,而不是代码全部执行后的值,两者可能会有差异。所以,输入变量的时候,必须非常小心。

var a = require('a'); // 安全的写法
var foo = require('a').foo; // 危险的写法
exports.good = function (arg) {
  return a.foo('good', arg); // 使用的是 a.foo 的最新值
};
exports.bad = function (arg) {
  return foo('bad', arg); // 使用的是一个部分加载时的值
};

上面代码中,如果发生循环加载,require('a').foo的值很可能后面会被改写,改用require('a')会更保险一点。

ES6模块的循环加载

ES6处理循环加载与CommonJS有本质的不同。ES6模块是动态引用,如果使用import从一个模块加载变量(即import foo from 'foo'),那些变量不会被缓存,而是成为一个指向被加载模块的引用,需要开发者自己保证,真正取值的时候能够取到值。

// a.mjs
import {bar} from './b';
console.log('a.mjs');
console.log(bar);
export let foo = 'foo';
// b.mjs
import {foo} from './a';
console.log('b.mjs');
console.log(foo);
export let bar = 'bar';

上面代码中,a.mjs加载b.mjsb.mjs又加载a.mjs,构成循环加载。执行a.mjs,结果如下。

$ node --experimental-modules a.mjs
b.mjs
ReferenceError: foo is not defined

上面代码中,执行a.mjs以后会报错,foo变量未定义,这是为什么?
让我们一行行来看,ES6循环加载是怎么处理的。首先,执行a.mjs以后,引擎发现它加载了b.mjs,因此会优先执行b.mjs,然后再执行a.mjs。接着,执行b.mjs的时候,已知它从a.mjs输入了foo接口,这时不会去执行a.mjs,而是认为这个接口已经存在了,继续往下执行。执行到第三行console.log(foo)的时候,才发现这个接口根本没定义,因此报错。
解决这个问题的方法,就是让b.mjs运行的时候,foo已经有定义了。这可以通过将foo写成函数来解决。

// a.mjs
import {bar} from './b';
console.log('a.mjs');
console.log(bar());
function foo() { return 'foo' }
export {foo};
// b.mjs
import {foo} from './a';
console.log('b.mjs');
console.log(foo());
function bar() { return 'bar' }
export {bar};

这时再执行a.mjs就可以得到预期结果。

$ node --experimental-modules a.mjs
b.mjs
foo
a.mjs
bar

这是因为函数具有提升作用,在执行import {bar} from './b'时,函数foo就已经有定义了,所以b.mjs加载的时候不会报错。这也意味着,如果把函数foo改写成函数表达式,也会报错。

// a.mjs
import {bar} from './b';
console.log('a.mjs');
console.log(bar());
const foo = () => 'foo';
export {foo};

上面代码的第四行,改成了函数表达式,就不具有提升作用,执行就会报错。
我们再来看ES6模块加载器SystemJS给出的一个例子。

// even.js
import { odd } from './odd'
export var counter = 0;
export function even(n) {
  counter++;
  return n === 0 || odd(n - 1);
}
// odd.js
import { even } from './even';
export function odd(n) {
  return n !== 0 && even(n - 1);
}

上面代码中,even.js里面的函数even有一个参数n,只要不等于0,就会减去1,传入加载的odd()odd.js也会做类似操作。
运行上面这段代码,结果如下。

$ babel-node
> import * as m from './even.js';
> m.even(10);
true
> m.counter
6
> m.even(20)
true
> m.counter
17

上面代码中,参数n从10变为0的过程中,even()一共会执行6次,所以变量counter等于6。第二次调用even()时,参数n从20变为0,even()一共会执行11次,加上前面的6次,所以变量counter等于17。
这个例子要是改写成CommonJS,就根本无法执行,会报错。

// even.js
var odd = require('./odd');
var counter = 0;
exports.counter = counter;
exports.even = function (n) {
  counter++;
  return n == 0 || odd(n - 1);
}
// odd.js
var even = require('./even').even;
module.exports = function (n) {
  return n != 0 && even(n - 1);
}

上面代码中,even.js加载odd.js,而odd.js又去加载even.js,形成“循环加载”。这时,执行引擎就会输出even.js已经执行的部分(不存在任何结果),所以在odd.js之中,变量even等于undefined,等到后面调用even(n-1)就会报错。

$ node
> var m = require('./even');
> m.even(10)
TypeError: even is not a function
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