前端模块化的今生

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背景

众所周知,早期 JavaScript 原生并不支持模块化,直到 2015 年,TC39 发布 ES6,其中有一个规范就是 ES modules(为了方便表述,后面统一简称 ESM)。但是在 ES6 规范提出前,就已经存在了一些模块化方案,比如 CommonJS(in Node.js)、AMD。ESM 与这些规范的共同点就是都支持导入(import)和导出(export)语法,只是其行为的关键词也一些差异。

CommonJS

// add.js
const add = (a, b) => a + b
module.exports = add
// index.js
const add = require('./add')
add(1, 5)

AMD

// add.js
define(function() {
  const add = (a, b) => a + b
  return add
})
// index.js
require(['./add'], function (add) {
  add(1, 5)
})

ESM

// add.js
const add = (a, b) => a + b
export default add
//index.js
import add from './add'
add(1, 5)

关于 JavaScript 模块化出现的背景在上一章(《前端模块化的前世》))已经有所介绍,这里不再赘述。但是 ESM 的出现不同于其他的规范,因为这是 JavaScript 官方推出的模块化方案,相比于 CommonJS 和 AMD 方案,ESM采用了完全静态化的方式进行模块的加载。

ESM规范

模块导出

模块导出只有一个关键词:export,最简单的方法就是在声明的变量前面直接加上 export 关键词。

export const name = 'Shenfq'

可以在 const、let、var 前直接加上 export,也可以在 function 或者 class 前面直接加上 export。

export function getName() {
  return name
}
export class Logger {
    log(...args) {
    console.log(...args)
  }
}

上面的导出方法也可以使用大括号的方式进行简写。

const name = 'Shenfq'
function getName() {
  return name
}
class Logger {
    log(...args) {
    console.log(...args)
  }
}

export { name, getName, Logger }

最后一种语法,也是我们经常使用的,导出默认模块。

const name = 'Shenfq'
export default name

模块导入

模块的导入使用import,并配合 from 关键词。

// main.js
import name from './module.js'

// module.js
const name = 'Shenfq'
export default name

这样直接导入的方式,module.js 中必须使用 export default,也就是说 import 语法,默认导入的是default模块。如果想要导入其他模块,就必须使用对象展开的语法。

// main.js
import { name, getName } from './module.js'

// module.js
export const name = 'Shenfq'
export const getName = () => name

如果模块文件同时导出了默认模块,和其他模块,在导入时,也可以同时将两者导入。

// main.js
import name, { getName } from './module.js'

//module.js
const name = 'Shenfq'
export const getName = () => name
export default name

当然,ESM 也提供了重命名的语法,将导入的模块进行重新命名。

// main.js
import * as mod from './module.js'
let name = ''
name = mod.name
name = mod.getName()

// module.js
export const name = 'Shenfq'
export const getName = () => name

上述写法就相当于于将模块导出的对象进行重新赋值:

// main.js
import { name, getName } from './module.js'
const mod = { name, getName }

同时也可以对单独的变量进行重命名:

// main.js
import { name, getName as getModName }

导入同时进行导出

如果有两个模块 a 和 b ,同时引入了模块 c,但是这两个模块还需要导入模块 d,如果模块 a、b 在导入 c 之后,再导入 d 也是可以的,但是有些繁琐,我们可以直接在模块 c 里面导入模块 d,再把模块 d 暴露出去。

模块关系

// module_c.js
import { name, getName } from './module_d.js'
export { name, getName }

这么写看起来还是有些麻烦,这里 ESM 提供了一种将 import 和 export 进行结合的语法。

export { name, getName } from './module_d.js'

上面是 ESM 规范的一些基本语法,如果想了解更多,可以翻阅阮老师的 《ES6 入门》

ESM 与 CommonJS 的差异

首先肯定是语法上的差异,前面也已经简单介绍过了,一个使用 import/export 语法,一个使用 require/module 语法。

另一个 ESM 与 CommonJS 显著的差异在于,ESM 导入模块的变量都是强绑定,导出模块的变量一旦发生变化,对应导入模块的变量也会跟随变化,而 CommonJS 中导入的模块都是值传递与引用传递,类似于函数传参(基本类型进行值传递,相当于拷贝变量,非基础类型【对象、数组】,进行引用传递)。

下面我们看下详细的案例:

CommonJS

// a.js
const mod = require('./b')

setTimeout(() => {
  console.log(mod)
}, 1000)

// b.js
let mod = 'first value'

setTimeout(() => {
  mod = 'second value'
}, 500)

module.exports = mod
$ node a.js
first value

ESM

// a.mjs
import { mod } from './b.mjs'

setTimeout(() => {
  console.log(mod)
}, 1000)

// b.mjs
export let mod = 'first value'

setTimeout(() => {
  mod = 'second value'
}, 500)
$ node --experimental-modules a.mjs
# (node:99615) ExperimentalWarning: The ESM module loader is experimental.
second value

另外,CommonJS 的模块实现,实际是给每个模块文件做了一层函数包裹,从而使得每个模块获取 require/module__filename/__dirname 变量。那上面的 a.js 来举例,实际执行过程中 a.js 运行代码如下:

// a.js
(function(exports, require, module, __filename, __dirname) {
    const mod = require('./b')
  setTimeout(() => {
    console.log(mod)
  }, 1000)
});

而 ESM 的模块是通过 import/export 关键词来实现,没有对应的函数包裹,所以在 ESM 模块中,需要使用 import.meta 变量来获取 __filename/__dirnameimport.meta 是 ECMAScript 实现的一个包含模块元数据的特定对象,主要用于存放模块的 url,而 node 中只支持加载本地模块,所以 url 都是使用 file: 协议。

import url from 'url'
import path from 'path'
// import.meta: { url: file:///Users/dev/mjs/a.mjs }
const __filename = url.fileURLToPath(import.meta.url)
const __dirname = path.dirname(__filename)

加载的原理

步骤:

  1. Construction(构造):下载所有的文件并且解析为module records。
  2. Instantiation(实例):把所有导出的变量入内存指定位置(但是暂时还不求值)。然后,让导出和导入都指向内存指定位置。这叫做『linking(链接)』。
  3. Evaluation(求值):执行代码,得到变量的值然后放到内存对应位置。

模块记录

所有的模块化开发,都是从一个入口文件开始,无论是 Node.js 还是浏览器,都会根据这个入口文件进行检索,一步一步找到其他所有的依赖文件。

// Node.js: main.mjs
import Log from './log.mjs'
<!-- chrome、firefox -->
<script type="module" src="./log.js"></script>

值得注意的是,刚开始拿到入口文件,我们并不知道它依赖了哪些模块,所以必须先通过 js 引擎静态分析,得到一个模块记录,该记录包含了该文件的依赖项。所以,一开始拿到的 js 文件并不会执行,只是会将文件转换得到一个模块记录(module records)。所有的 import 模块都在模块记录的 importEntries 字段中记录,更多模块记录相关的字段可以查阅tc39.es

模块记录

模块构造

得到模块记录后,会下载所有依赖,并再次将依赖文件转换为模块记录,一直持续到没有依赖文件为止,这个过程被称为『构造』(construction)。

模块构造包括如下三个步骤:

  1. 模块识别(解析依赖模块 url,找到真实的下载路径);
  2. 文件下载(从指定的 url 进行下载,或从文件系统进行加载);
  3. 转化为模块记录(module records)。

对于如何将模块文件转化为模块记录,ESM 规范有详细的说明,但是在构造这个步骤中,要怎么下载得到这些依赖的模块文件,在 ESM 规范中并没有对应的说明。因为如何下载文件,在服务端和客户端都有不同的实现规范。比如,在浏览器中,如何下载文件是属于 HTML 规范(浏览器的模块加载都是使用的 <script> 标签)。

虽然下载完全不属于 ESM 的现有规范,但在 import 语句中还有一个引用模块的 url 地址,关于这个地址需要如何转化,在 Node 和浏览器之间有会出现一些差异。简单来说,在 Node 中可以直接 import 在 node_modules 中的模块,而在浏览器中并不能直接这么做,因为浏览器无法正确的找到服务器上的 node_modules 目录在哪里。好在有一个叫做 import-maps 的提案,该提案主要就是用来解决浏览器无法直接导入模块标识符的问题。但是,在该提案未被完全实现之前,浏览器中依然只能使用 url 进行模块导入。

<script type="importmap">
{
  "imports": {
      "jQuery": "/node_modules/jquery/dist/jquery.js"
  }
}
</script>
<script type="module">
    import $ from 'jQuery'
  $(function () {
    $('#app').html('init')
  })
</script>

下载好的模块,都会被转化为模块记录然后缓存到 module map 中,遇到不同文件获取的相同依赖,都会直接在 module map 缓存中获取。

// log.js
const log = console.log
export default log

// file.js
export { 
  readFileSync as read,
  writeFileSync as write
} from 'fs'

module map

模块实例

获取到所有依赖文件并建立好 module map 后,就会找到所有模块记录,并取出其中的所有导出的变量,然后,将所有变量一一对应到内存中,将对应关系存储到『模块环境记录』(module environment record)中。当然当前内存中的变量并没有值,只是初始化了对应关系。初始化导出变量和内存的对应关系后,紧接着会设置模块导入和内存的对应关系,确保相同变量的导入和导出都指向了同一个内存区域,并保证所有的导入都能找到对应的导出。

模块连接

由于导入和导出指向同一内存区域,所以导出值一旦发生变化,导入值也会变化,不同于 CommonJS,CommonJS 的所有值都是基于拷贝的。连接到导入导出变量后,我们就需要将对应的值放入到内存中,下面就要进入到求值的步骤了。

模块求值

求值步骤相对简单,只要运行代码把计算出来的值填入之前记录的内存地址就可以了。到这里就已经能够愉快的使用 ESM 模块化了。

ESM的进展

因为 ESM 出现较晚,服务端已有 CommonJS 方案,客户端又有 webpack 打包工具,所以 ESM 的推广不得不说还是十分艰难的。

客户端

我们先看看客户端的支持情况,这里推荐大家到 Can I Use 直接查看,下图是 2019/11的截图。

Can I use

目前为止,主流浏览器都已经支持 ESM 了,只需在 script 标签传入指定的 type="module" 即可。

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

另外,我们知道在 Node.js 中,要使用 ESM 有时候需要用到 .mjs 后缀,但是浏览器并不关心文件后缀,只需要 http 响应头的MIME类型正确即可(Content-Type: text/javascript)。同时,当 type="module" 时,默认启用 defer 来加载脚本。这里补充一张 defer、async 差异图。

img

我们知道浏览器不支持 script 的时候,提供了 noscript 标签用于降级处理,模块化也提供了类似的标签。

<script type="module" src="./main.js"></script>
<script nomodule>
  alert('当前浏览器不支持 ESM !!!')
</script>

这样我们就能针对支持 ESM 的浏览器直接使用模块化方案加载文件,不支持的浏览器还是使用 webpack 打包的版本。

<script type="module" src="./src/main.js"></script>
<script nomodule src="./dist/app.[hash].js"></script>

预加载

我们知道浏览器的 link 标签可以用作资源的预加载,比如我需要预先加载 main.js 文件:

<link rel="preload" href="./main.js"></link>

如果这个 main.js 文件是一个模块化文件,浏览器仅仅预先加载单独这一个文件是没有意义的,前面我们也说过,一个模块化文件下载后还需要转化得到模块记录,进行模块实例、模块求值这些操作,所以我们得想办法告诉浏览器,这个文件是一个模块化的文件,所以浏览器提供了一种新的 rel 类型,专门用于模块化文件的预加载。

<link rel="modulepreload" href="./main.js"></link>

现状

虽然主流浏览器都已经支持了 ESM,但是根据 chrome 的统计,有用到 <script type="module"> 的页面只有 1%。截图时间为 2019/11

统计

服务端

浏览器能够通过 script 标签指定当前脚本是否作为模块处理,但是在 Node.js 中没有很明确的方式来表示是否需要使用 ESM,而且 Node.js 中本身就已经有了 CommonJS 的标准模块化方案。就算开启了 ESM,又通过何种方式来判断当前入口文件导入的模块到底是使用的 ESM 还是 CommonJS 呢?为了解决上述问题,node 社区开始出现了 ESM 的相关草案,具体可以在 github 上查阅。

2017年发布的 Node.js 8.5.0 开启了 ESM 的实验性支持,在启动程序时,加上 --experimental-modules 来开启对 ESM 的支持,并将 .mjs 后缀的文件当做 ESM 来解析。早期的期望是在 Node.js 12 达到 LTS 状态正式发布,然后期望并没有实现,直到最近的 13.2.0 版本才正式支持 ESM,也就是取消了 --experimental-modules 启动参数。具体细节可以查看 Node.js 13.2.0 的官方文档

关于 .mjs 后缀社区有两种完全不同的态度。支持的一方认为通过文件后缀区分类型是最简单也是最明确的方式,且社区早已有类似案例,例如,.jsx 用于 React 组件、.ts 用于 ts 文件;而支持的一方认为,.js 作为 js 后缀已经存在这么多年,视觉上很难接受一个 .mjs 也是 js 文件,而且现有的很多工具都是以 .js 后缀来识别 js 文件,如果引入了 .mjs 方案,就有大批量的工具需要修改来有效的适配 ESM。

所以除了 .mjs 后缀指定 ESM 外,还可以使用 pkg.json 文件的 type 属性。如果 type 属性为 module,则表示当前模块应使用 ESM 来解析模块,否则使用 CommonJS 解析模块。

{
  "type": "module" // module | commonjs(default)
}

当然有些本地文件是没有 pkg.json 的,但是你又不想使用 .mjs 后缀,这时候只需要在命令行加上一个启动参数 --input-type=module。同时 input-type 也支持 commonjs 参数来指定使用 CommonJS(-—input-type=commonjs)。

总结一下,Node.js 中,以下三种情况会启用 ESM 的模块加载方式:

  1. 文件后缀为.mjs;
  2. pkg.json 中 type 字段指定为 module
  3. 启动参数添加 --input-type=module

同样,也有三种情况会启用 CommonJS 的模块加载方式:

  1. 文件后缀为.cjs;
  2. pkg.json 中 type 字段指定为 commonjs
  3. 启动参数添加 --input-type=commonjs

虽然 13.2 版本去除了 --experimental-modules 的启动参数,但是按照文档的说法,在 Node.js 中使用 ESM 依旧是实验特性。

Stability: 1 - Experimental

不过,相信等到 Node.js 14 LTS 版本发布时,ESM 的支持应该就能进入稳定阶段了,这里还有一个 Node.js 关于 ESM 的整个计划列表可以查阅。

参考


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阅读 2.5k发布于 12月2日
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