NodeJS 中的模块是单例的吗？

本文翻译自 Lazlojuly 的 are-node-js-modules-singletons。
本文从属于笔者的NodeJS入门与最佳实践中的NodeJS 基础系列文章，包括NodeJS 入门、NodeJS 模块导出与解析、NodeJS IOStream、NodeJS HTTPS这几部分。

笔者之前在使用require导入模块时，特别是在导入有状态的模块时，笔者会考虑其是否在多次导入情况下依然保持单例特性，或者说对于同一个文件在不同路径下导入时，是否能够识别为一致？本文即是对该特性进行解析。

NodeJS的模块默认情况下是单例性质的，不过其并不能保证如我们编程时设想的那样一定是单例，根据NodeJS的官方文档中描述，某个模块导入是否为单例受以下两个因素的影响:

• Node 模块的缓存机制是大小写敏感的，譬如如果你require('/foo')与require('/FOO')会返回两个不同的对象，尽管你的foo与FOO是完全相同的文件。

• 模块是基于其被解析得到的文件名进行缓存的，鉴于不同的模块会依赖于其被调用的路径进行缓存鉴别，因此并不能保证你使用require('foo')会永远返回相同的对象，可能会根据不同的文件路径得到不同的对象。

创建新的NodeJS模块

根据NodeJS文档所述，文件和模块是一一对应的关系。这个也是解释上文提及的模块缓存机制的基础，我们首先创建一个简单的模块:

// counter.js 

let value = 0

module.exports = {
  increment: () => value++,
  get: () => value,
}

在counter.js中我们创建了某个私有变量，并且只能通过公共的increment与get方法进行操作。在应用中我们可以如下方法使用该模块:

// app.js
const counter = require(‘./counter.js’)

counter.increment()
counter.increment()

console.log(counter.get()) // prints 2
console.log(counter.value) // prints undefined as value is private

Module Caching

NodeJS会在第一次导入某个模块之后将该模块进行缓存，在官方文档中有如下描述:

Every call to require(‘foo’) will get exactly the same object returned, if it would resolve to the same file.

我们也可以通过如下简单的例子来验证这句话:

// app-singleton.js

const counter1 = require(‘./counter.js’)
const counter2 = require(‘./counter.js’)

counter1.increment()
counter1.increment()
counter2.increment()

console.log(counter1.get()) // prints 3
console.log(counter2.get()) // also prints 3

可以看出尽管我们两次导入了该模块，但是还是指向了同一个对象。不过并不是每次我们导入同一个模块时，都会得到相同的对象。在NodeJS中，模块对象有个内置的方法:Module._resolveFilename()，其负责寻找require中合适的模块，在找到正确的文件之后，会根据其文件名作为缓存的键名。官方的搜索算法伪代码为:

require(X) from module at path Y
1. If X is a core module,
   a. return the core module
   b. STOP
2. If X begins with './' or '/' or '../'
a. LOAD_AS_FILE(Y + X)
      1. If X is a file, load X as JavaScript text.  STOP
      2. If X.js is a file, load X.js as JavaScript text.  STOP
      3...
      4...
b. LOAD_AS_DIRECTORY(Y + X)
      1. If X/package.json is a file,
         a. Parse X/package.json, and look for "main" field.
         b. let M = X + (json main field)
         c. LOAD_AS_FILE(M)
      2. If X/index.js is a file, load X/index.js as JS text.  STOP
      3...
      4...
3. LOAD_NODE_MODULES(X, dirname(Y))
4. THROW "not found"

简单来说，加载的逻辑或者说优先级为:

• 优先判断是不是核心模块

• 如果不是核心模块则搜索node_modules

• 否则在相对路径中进行搜索

解析之后的文件名可以根据module对象或得到:

// counter-debug.js

console.log(module.filename) // prints absolute path to counter.js
console.log(__filename) // prints same as above
// i get: "/Users/laz/repos/medium/modules/counter-debug.js"

let value = 0

module.exports = {
  increment: () => value++,
  get: () => value,

在上述的例子中我们可以看出，解析得到的文件名即使被加载模块的绝对路径。而根据文件与模块一一映射的原则，我们可以得出下面两个会破坏模块导入单例性的特例。

Case Sensitivity

在大小写敏感的文件系统中或者操作系统中，不同的解析之后的文件可能会指向相同的文件，但是其缓存键名会不一致，即不同的导入会生成不同的对象。

// app-no-singleton-1.js
const counter1 = require('./counter.js')
const counter2 = require('./COUNTER.js')

counter1.increment()
console.log(counter1.get()) // prints 1
console.log(counter2.get()) // prints 0, not same object as counter1

/* 
We have two different resolved filenames:
- “Users/laz/repos/medium/modules/counter.js”
- “Users/laz/repos/medium/modules/COUNTER.js”
*/

在上面的例子中，我们分别用counter、COUNTER这仅仅是大小写不同的方式导入相同的某个文件，如果是在某个大小写敏感的系统中，譬如UBUNTU中会直接抛出异常:

解析为不同的文件名

当我们使用require(x)并且x不属于核心模块时，其会自动搜索node_modules文件夹。而在npm3之前，项目会以嵌套的方式安装依赖。因此当我们的项目依赖module-a与module-b，并且module-a与module-b也相互依赖时，其会生成如下文件路径格式:

// npm2 installed dependencies in nested way
app.js
package.json
node_modules/
|---module-a/index.js
|---module-b/index.js
    |---node_modules
        |---module-a/index.js

这样的话，我们对于同一个模块就有两个副本，那当我们在应用中导入module-a时，岂会载入如下文件:

     // app.js
const moduleA = require(‘module-a’)
loads: “/node_modules/module-a/index.js”

而从module-b中载入module-a时，其载入的是如下文件:

     // /node_modules/module-b/index.js
const moduleA = require(‘module-a’)
loads “/node_modules/module-b/node_modules/module-a/index.js”

不过在npm3之后，其以扁平化方式进行文件加载，其文件目录结构如下所示:

    // npm3 flattens secondary dependencies by installing in same folder
app.js
package.json
node_modules/
|---module-a/index.js
|---module-b/index.js

不过此时就存在另一个场景，即我们应用本身依赖module-a@v1.1与module-b，而module-b又依赖于module-a@v1.2，在这种情况下还是会采用类似于npm3之前的嵌套式目录结构。这样的话对于module-a一样会产生不同的对象，不过此时本身就是不同的文件了，因此相互之间不会产生冲突。