commonJS模块规范

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一、什么是commonJs?

javascript是一个面向对象的脚本语言,但是官方定义的标准 javascript API 是面向于浏览器端,构建浏览器端应用程序。
commonJS 诞生的目标是建立Web服务器,桌面和命令行应用程序以及浏览器中的JavaScript生态系统。
CommonJS API定义很多普通应用程序(主要指非浏览器的应用)使用的API,从而填补了这个空白。它的终极目标是提供一个类似Python,Ruby和Java标 准库。这样的话,开发者可以使用CommonJS API编写应用程序,然后这些应用可以运行在不同的JavaScript解释器和不同的主机环境中。在兼容CommonJS的系统中,你可以使用 JavaScript程序开发:
服务器端JavaScript应用程序
命令行工具
图形界面应用程序
混合应用程序(如,Titanium或Adobe AIR)。[1]

从CommonJS的官网来看,CommonJS本质上就是一个规范,它并不提供默认实现,而是要求一些JavaScript库、框架、环境……去实现它的这些API定义。

二、commonJS 目前正在讨论/标准化清单 API

- Uniform Baseline / Globals (discussion)
- Modules (1.1.1)
        - binary: Binary Data Objects (byte arrays and/or strings) (proposals, discussion, early implementations)
        - encodings: Encodings and character sets (proposals, discussion, early implementations)
        - io: I/O Streams (proposals, discussion)
        - fs, fs-base: Filesystem (proposals, discussion, early implementations)
        - system: System Interface (stdin, stdout, stderr, &c) (1.0, amendments proposed)
        - assert, test: Unit Testing (1.0, amendment proposals pending)
        - sockets: Socket I/O TCP/IP sockets (early proposals)
        - event-queue: Reactor Reactor/Event Queue (early proposals)
        - worker: Worker Worker (concurrent shared nothing process/thread) (proposal)
        - console: console (proposal)
- Packages (1.0)
- Package Mappings (proposal)
- Web Server Gateway Interface (JSGI) (proposals, discussion, early implementations)
- Promises (proposal)

- Pending Business / Calls for Action / Status Report

以上罗列出来的API定义 —— 涉及到二进制、编码、IO、文件、系统、断言测试、套接字、事件队列、Worker、控制台等等实现,恰恰弥补的传统JavaScript的空白。

三、node.js 所实现的commonJS规范

就以Node.js为例,它实现了CommonJS的如下子规范:

- Modules/1.0 (yes)
- Promises/B (http://github.com/kriskowal/q)
- Promises/D (https://github.com/kriskowal/q)
- Unit Testing/1.0 (yes)

四、commonJS 模块机制规范

由于Node.js 模块是根据commonJs的modules API 规范实现的。那么这里将以node.js的模块机制来讲解commonJS 模块规范。

根据这个规范,每个文件就是一个模块,它有自己的作用域(不会污染全局作用域)。在文件里面定义的变量、函数、类,都是这个模块的私有的,对外不可见。

CommonJS规范规定,每个模块内部,module变量代表当前模块。这个变量是一个对象,它的exports属性(即module.exports)是对外的接口。加载某个模块,其实是加载该模块的module.exports属性。

var x = 5;
var addX = function (value) {
  return value + x;
};
module.exports.x = x;
module.exports.addX = addX;

上面代码通过module.exports输出变量x和函数addX。

require方法用于加载模块。

var example = require('./example.js');

console.log(example.x); // 5
console.log(example.addX(1)); // 6

1.commonJS模块规范特点如下:

1.根据这个规范,每个文件就是一个模块,它有自己的作用域(不会污染全局作用域)。在文件里面定义的变量、函数、类,都是这个模块的私有的,对外不可见。
2.模块加载顺序,按照代码执行顺序。也就是说,是同步加载的。
3.模块可以重复加载,但是会在加载第一次的时候,就将该模块缓存起来,后面再次加载将从缓存中获取该模块。(注意:如果要重新加载模块,需要清空缓存)

2.module对象
在node.js 中,内部提供了一个Modlue构造函数,所有的模块都是这个构造函数的实例。

function  Modlue(id,parent){
     this.id = id;
     this.exports = {};
     this.filename= null;
     this.parent = parent;
     this.loaded = false;
     this.children = [];

}

在每个模块里面,都有一个module实例

 module.id // 模块的标示符,通常是带有的绝对路径的文件名。
 module.filename // 带有的绝对路径的文件名。
 module.parent // 返回一个对象,表示调用该模块的模块
 module.children // 返回一个数组对象,表示该模块调用的其他模块
 module.loaded // 返回一个boolean值,表示模块是否已经加载完成。
 module.exports // 返回一个对像,表示模块对外输出的值

下面是一个示例文件,最后一行输出module变量。

// example.js
var jquery = require('jquery');
exports.$ = jquery;
console.log(module);

执行这个文件,命令行会输出如下信息。

{ id: '.',
  exports: { '$': [Function] },
  parent: null,
  filename: '/path/to/example.js',
  loaded: false,
  children:
   [ { id: '/path/to/node_modules/jquery/dist/jquery.js',
       exports: [Function],
       parent: [Circular],
       filename: '/path/to/node_modules/jquery/dist/jquery.js',
       loaded: true,
       children: [],
       paths: [Object] } ],
  paths:
   [ '/home/user/deleted/node_modules',
     '/home/user/node_modules',
     '/home/node_modules',
     '/node_modules' ]
}

2.1模块包装器

在执行模块代码之前,Node.js 会使用一个如下的函数包装器将其包装:

(function(exports, require, module, __filename, __dirname) {
// 模块的代码实际上在这里
});

通过这样做,Node.js 实现了以下几点:

  • 它保持了顶层的变量(用 var、const 或 let 定义)作用在模块范围内,而不是全局对象。 (其实就是用闭包,使模块里定义的变量或函数有自己的作用域,避免全集作用域污染。而且模块里面的变量,函数,类都是私有的,对外不可见,需要对外公开的接口,可以赋值给module.exports属性或exprots变量)

  • 它有助于提供一些看似全局的但实际上是模块特定的变量,例如:

    • 实现者可以使用 module 和 exports 对象从模块中导出值。

    • 快捷变量 __filename 和 __dirname 包含模块的绝对文件名和目录路径。

2.2 module.exports 属性

 module.exports 属性是模块对外输出的接口,其他文件加载该模块,其实就是读取module.exports 属性。

var EventEmitter = require('events').EventEmitter;
module.exports = new EventEmitter();

setTimeout(function() {
  module.exports.emit('ready');
}, 1000);

上面模块会在加载后1秒后,发出ready事件。其他文件监听该事件,可以写成下面这样。

var a = require('./a');
a.on('ready', function() {
  console.log('module a is ready');
});

2.3 exports 变量

 为了方便,node在每个模块里提供了了一个exports 变量,指向module.exports。

这等同在每个模块头部,有一行这样的命令。

var exports = module.exports;

由于exports变量是module .exports的引用,在对外输出模块接口时,可以通过exports对象添加方法/变量来拓展对外输出模块接口的属性内容。

exports.readFile = function(){
// 读取文件操作
};
exports.add = function(num,num2){
     return num +num2
}
//等同于
module.exports.readFile = function(){}
module.exports.add = function(num,num2){...}

通过上述所说,node.js 内部的 Module构造器,可以知道,module.exports 初始化是一个{} object对象作为该模块的唯一对外输出接口。所以我门需要注意以下两种情况:

1.不能直接将exports变量指向一个值,因为这样等于切断了exports与module.exports的联系。

exports = function(x) {console.log(x)};

上面这样的写法是无效的,因为exports不再指向module.exports了。(require()加载模块,输出的是module.exports这个对象)

2.下面的写法也是无效的。

exports.hello = function() {
  return 'hello';
};

module.exports = 'Hello world';

上面代码中,hello函数是无法对外输出的,因为module.exports被重新赋值了。

这意味着,如果一个模块的对外接口,就是一个单一的值,不能使用exports输出,只能使用module.exports输出。

module.exports = function (x){ console.log(x);};

如果你觉得,exports与module.exports之间的区别很难分清,一个简单的处理方法,就是放弃使用exports,只使用module.exports。

2.4 CommonJS 的模块加载机制

 commonJS的模块加载机制是——commonJS输出的是被输出的值的拷贝。也就是说如果一旦输出是一个值,模块内部的变化就影响不了这个值。

看一个例子:

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

上面代码输出内部变量counter和改写这个变量的内部方法incCounter。然后,在main.js里面加载这个模块。

// 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。

一、require() 的基本用法
分析源码之前,先介绍 require 语句的内部逻辑。如果你只想了解 require 的用法,只看这一段就够了。
下面的内容翻译自《Node使用手册》。

当 Node 遇到 require(X) 时,按下面的顺序处理。

(1)如果 X 是内置模块(比如 require('http'))
  a. 返回该模块。
  b. 不再继续执行。

(2)如果 X 以 "./" 或者 "/" 或者 "../" 开头
  a. 根据 X 所在的父模块,确定 X 的绝对路径。
  b. 将 X 当成文件,依次查找下面文件,只要其中有一个存在,就返回该文件,不再继续执行。

- X
- X.js
- X.json
- X.node

  c. 将 X 当成目录,依次查找下面文件,只要其中有一个存在,就返回该文件,不再继续执行。

- X/package.json(main字段)
- X/index.js
- X/index.json
- X/index.node

(3)如果 X 不带路径
  a. 根据 X 所在的父模块,确定 X 可能的安装目录。
  b. 依次在每个目录中,将 X 当成文件名或目录名加载。

(4) 抛出 "not found"

请看一个例子。
当前脚本文件 /home/ry/projects/foo.js 执行了 require('bar') ,这属于上面的第三种情况。Node 内部运行过程如下。
首先,确定 x 的绝对路径可能是下面这些位置,依次搜索每一个目录。


/home/ry/projects/node_modules/bar
/home/ry/node_modules/bar
/home/node_modules/bar
/node_modules/bar

搜索时,Node 先将 bar 当成文件名,依次尝试加载下面这些文件,只要有一个成功就返回。


bar
bar.js
bar.json
bar.node

如果都不成功,说明 bar 可能是目录名,于是依次尝试加载下面这些文件。


bar/package.json(main字段)
bar/index.js
bar/index.json
bar/index.node

如果在所有目录中,都无法找到 bar 对应的文件或目录,就抛出一个错误。

三、模块实例的 require 方法
每个模块实例都有一个 require 方法。

Module.prototype.require = function(path) {
  return Module._load(path, this);
};

由此可知,require 并不是全局性命令,而是每个模块提供的一个内部方法,也就是说,只有在模块内部才能使用 require 命令(唯一的例外是 REPL 环境)。另外,require 其实内部调用 Module._load 方法。
下面来看 Module._load 的源码。

Module._load = function(request, parent, isMain) {

// 计算绝对路径
var filename = Module._resolveFilename(request, parent);

// 第一步:如果有缓存,取出缓存
var cachedModule = Module._cache[filename];
if (cachedModule) {

return cachedModule.exports;

// 第二步:是否为内置模块
if (NativeModule.exists(filename)) {

return NativeModule.require(filename);

}

// 第三步:生成模块实例,存入缓存
var module = new Module(filename, parent);
Module._cache[filename] = module;

// 第四步:加载模块
try {

module.load(filename);
hadException = false;

} finally {

if (hadException) {
  delete Module._cache[filename];
}

}

// 第五步:输出模块的exports属性
return module.exports;
};

上面代码中,首先解析出模块的绝对路径(filename),以它作为模块的识别符。然后,如果模块已经在缓存中,就从缓存取出;如果不在缓存中,就加载模块。
因此,Module._load 的关键步骤是两个。

  • Module._resolveFilename() :确定模块的绝对路径

  • module.load():加载模块

四、模块的绝对路径


下面是 Module._resolveFilename 方法的源码。

Module._resolveFilename = function(request, parent) {

// 第一步:如果是内置模块,不含路径返回
if (NativeModule.exists(request)) {

return request;

}

// 第二步:确定所有可能的路径
var resolvedModule = Module._resolveLookupPaths(request, parent);
var id = resolvedModule[0];
var paths = resolvedModule[1];

// 第三步:确定哪一个路径为真
var filename = Module._findPath(request, paths);
if (!filename) {

var err = new Error("Cannot find module '" + request + "'");
err.code = 'MODULE_NOT_FOUND';
throw err;

}
return filename;
};

上面代码中,在 Module.resolveFilename 方法内部,又调用了两个方法 Module.resolveLookupPaths() 和 Module._findPath() ,前者用来列出可能的路径,后者用来确认哪一个路径为真。

为了简洁起见,这里只给出 Module._resolveLookupPaths() 的运行结果。

[ '/home/ruanyf/tmp/node_modules',

'/home/ruanyf/node_modules',
'/home/node_modules',
'/node_modules'
'/home/ruanyf/.node_modules',
'/home/ruanyf/.node_libraries',
'$Prefix/lib/node' ]

上面的数组,就是模块所有可能的路径。基本上是,从当前路径开始一级级向上寻找 node_modules 子目录。最后那三个路径,主要是为了历史原因保持兼容,实际上已经很少用了。

有了可能的路径以后,下面就是 Module._findPath() 的源码,用来确定到底哪一个是正确路径。

Module._findPath = function(request, paths) {

// 列出所有可能的后缀名:.js,.json, .node
  var exts = Object.keys(Module._extensions);

// 如果是绝对路径,就不再搜索
  if (request.charAt(0) === '/') {
    paths = [''];
  }

// 是否有后缀的目录斜杠
  var trailingSlash = (request.slice(-1) === '/');

// 第一步:如果当前路径已在缓存中,就直接返回缓存
  var cacheKey = JSON.stringify({request: request, paths: paths});
  if (Module._pathCache[cacheKey]) {
    return Module._pathCache[cacheKey];
  }

// 第二步:依次遍历所有路径
  for (var i = 0, PL = paths.length; i < PL; i++) {
    var basePath = path.resolve(paths[i], request);
    var filename;

    if (!trailingSlash) {
    // 第三步:是否存在该模块文件
      filename = tryFile(basePath);

      if (!filename && !trailingSlash) {
      // 第四步:该模块文件加上后缀名,是否存在
        filename = tryExtensions(basePath, exts);
      }
    }

  // 第五步:目录中是否存在 package.json
    if (!filename) {
      filename = tryPackage(basePath, exts);
    }

    if (!filename) {
    // 第六步:是否存在目录名 + index + 后缀名
      filename = tryExtensions(path.resolve(basePath, 'index'), exts);
    }

  // 第七步:将找到的文件路径存入返回缓存,然后返回
    if (filename) {
      Module._pathCache[cacheKey] = filename;
      return filename;
    }
  }

// 第八步:没有找到文件,返回false
  return false;
};

经过上面代码,就可以找到模块的绝对路径了。
有时在项目代码中,需要调用模块的绝对路径,那么除了 module.filename ,Node 还提供一个 require.resolve 方法,供外部调用,用于从模块名取到绝对路径。


require.resolve = function(request) {
  return Module._resolveFilename(request, self);
};

// 用法
require.resolve('a.js')
// 返回 /home/ruanyf/tmp/a.js

五、加载模块


有了模块的绝对路径,就可以加载该模块了。下面是 module.load 方法的源码。

Module.prototype.load = function(filename) {
var extension = path.extname(filename) || '.js';
if (!Module._extensions[extension]) extension = '.js';
Module._extensionsextension;
this.loaded = true;
};

上面代码中,首先确定模块的后缀名,不同的后缀名对应不同的加载方法。下面是 .js 和 .json 后缀名对应的处理方法。

Module._extensions['.js'] = function(module, filename) {
var content = fs.readFileSync(filename, 'utf8');
module._compile(stripBOM(content), filename);
};

Module._extensions['.json'] = function(module, filename) {
var content = fs.readFileSync(filename, 'utf8');
try {

module.exports = JSON.parse(stripBOM(content));

} catch (err) {

err.message = filename + ': ' + err.message;
throw err;

}
};

这里只讨论 js 文件的加载。首先,将模块文件读取成字符串,然后剥离 utf8 编码特有的BOM文件头,最后编译该模块。

module._compile 方法用于模块的编译。

Module.prototype._compile = function(content, filename) {
var self = this;
var args = [self.exports, require, self, filename, dirname];
return compiledWrapper.apply(self.exports, args);
};

上面的代码基本等同于下面的形式。

(function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
// 模块源码
});

也就是说,模块的加载实质上就是,注入exports、require、module三个全局变量,然后执行模块的源码,然后将模块的 exports 变量的值输出。

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