Javascript 模組化指北

前言

隨著 Web 技術的蓬勃發展和依賴的基礎設施日益完善，前端領域逐漸從瀏覽器擴充套件至服務端（Node.js），桌面端（PC、Android、iOS），乃至於物聯網裝置（IoT），其中 JavaScript 承載著這些應用程式的核心部分，隨著其規模化和複雜度的成倍增長，其軟體工程體系也隨之建立起來（協同開發、單元測試、需求和缺陷管理等），模組化程式設計的需求日益迫切；

JavaScript 對模組化程式設計的支援尚未形成規範，難以堪此重任；一時間，江湖俠士挺身而出，一路披荊斬棘，從刀耕火種過渡到面向未來的模組化方案；

概念

模組化程式設計就是通過組合一些__相對獨立可複用的模組__來進行功能的實現，其最核心的兩部分是__定義模組__和__引入模組__；

• 定義模組時，每個模組內部的執行邏輯是不被外部感知的，只是匯出（暴露）出部分方法和資料；
• 引入模組時，同步 / 非同步去載入待引入的程式碼，執行並獲取到其暴露的方法和資料；

刀耕火種

儘管 JavaScript 語言層面並未提供模組化的解決方案，但利用其可__物件導向__的語言特性，外加__設計模式__加持，能夠實現一些簡單的模組化的架構；經典的一個案例是利用單例模式模式去實現模組化，可以對模組進行較好的封裝，只暴露部分資訊給需要使用模組的地方；

// 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();
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直觀來看，通過立即執行函式（IIFE）來宣告依賴以及匯出資料，這與當下的模組化方案並無巨大的差異，可本質上卻有千差萬別，無法滿足的一些重要的特性；

• 定義模組時，宣告的依賴不是強制自動引入的，即在定義該模組之前，必須手動引入依賴的模組程式碼；
• 定義模組時，其程式碼就已經完成執行過程，無法實現按需載入；
• 跨檔案使用模組時，需要將模組掛載到全域性變數（window）上；

AMD & CMD 二分天下

題外話：由於年代久遠，這兩種模組化方案逐漸淡出歷史舞臺，具體特性不再細聊；

為了解決”刀耕火種”時代存留的需求，AMD 和 CMD 模組化規範問世，解決了在瀏覽器端的非同步模組化程式設計的需求，其最核心的原理是通過動態載入 script 和事件監聽的方式來非同步載入模組；

AMD 和 CMD 最具代表的兩個作品分別對應 require.js 和 sea.js；其主要區別在於依賴宣告和依賴載入的時機，其中 require.js 預設在宣告時執行， sea.js 推崇懶載入和按需使用；另外值得一提的是，CMD 規範的寫法和 CommonJS 極為相近，只需稍作修改，就能在 CommonJS 中使用。參考下面的 Case 更有助於理解；

// AMD
define(['./a','./b'], function (moduleA, moduleB) {
  // 依賴前置
  moduleA.mehodA();
  console.log(moduleB.dataB);
  // 匯出資料
  return {};
});
 
// CMD
define(function (requie, exports, module) {
  // 依賴就近
  var moduleA = require('./a');
  moduleA.mehodA();     

  // 按需載入
  if (needModuleB) {
    var moduleB = requie('./b');
    moduleB.methodB();
  }
  // 匯出資料
  exports = {};
});
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CommonJS

2009 年 ty 釋出 Node.js 的第一個版本，CommonJS 作為其中最核心的特性之一，適用於服務端下的場景；歷年來的考察和時間的洗禮，以及前端工程化對其的充分支援，CommonJS 被廣泛運用於 Node.js 和瀏覽器；

// 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;
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規範

• module (Object): 模組本身
• exports (*): 模組的匯出部分，即暴露出來的內容
• require (Function): 載入模組的函式，獲得目標模組的匯出值（基礎型別為複製，引用型別為淺拷貝），可以載入內建模組、npm 模組和自定義模組

實現

1、模組定義

預設任意 .node .js .json 檔案都是符合規範的模組；

2、引入模組

首先從快取（require.cache）優先讀取模組，如果未命中快取，則進行路徑分析，然後按照不同型別的模組處理：

• 內建模組，直接從記憶體載入；
• 外部模組，首先進行檔案定址定位，然後進行編譯和執行，最終得到對應的匯出值；

其中在編譯的過程中，Node對獲取的JavaScript檔案內容進行了頭尾包裝，結果如下：

(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));
});
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特性總結

• 同步執行模組宣告和引入邏輯，分析一些複雜的依賴引用（如迴圈依賴）時需注意；
• 快取機制，效能更優，同時限制了記憶體佔用；
• Module 模組可供改造的靈活度高，可以實現一些定製需求（如熱更新、任意檔案型別模組支援）；

ES Module（推薦使用）

ES Module 是語言層面的模組化方案，由 ES 2015 提出，其規範與 CommonJS 比之 ，匯出的值都可以看成是一個具備多個屬性或者方法的物件，可以實現互相相容；但寫法上 ES Module 更簡潔，跟 Python 接近；

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

export default service;
export const getArticles = getArticles;
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主要差異在於：

• ES Module 會對靜態程式碼分析，即在程式碼編譯時進行模組的載入，在執行時之前就已經確定了依賴關係（可解決迴圈引用的問題）；
• ES Module 關鍵字：import export 以及獨有的 default 關鍵字，確定預設的匯出值；
• ES Module 中匯入模組的屬性或者方法是強繫結的，包括基礎型別；

UMD

通過一層自執行函式來相容各種模組化規範的寫法，相容 AMD / CMD / CommonJS 等模組化規範，貼上程式碼勝過千言萬語，需要特別注意的是 ES Module 由於會對靜態程式碼進行分析，故這種執行時的方案無法使用，此時通過 CommonJS 進行相容；

(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;
});
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構建工具中的實現

為了在瀏覽器環境中執行模組化的程式碼，需要藉助一些模組化打包的工具進行打包（ 以 webpack 為例），定義了專案入口之後，會先快速地進行依賴的分析，然後將所有依賴的模組轉換成瀏覽器相容的對應模組化規範的實現；

模組化的基礎

從上面的介紹中，我們已經對其規範和實現有了一定的瞭解；在瀏覽器中，要實現 CommonJS 規範，只需要實現 module / exports / require / global 這幾個屬性，由於瀏覽器中是無法訪問檔案系統的，因此 require 過程中的檔案定位需要改造為載入對應的 JS 片段（webpack 採用的方式為通過函式傳參實現依賴的引入）。具體實現可以參考：tiny-browser-require。

webpack 打包出來的程式碼快照如下，注意看註釋中的時序；

(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
  }
});
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實際上，ES Module 的處理同 CommonJS 相差無幾，只是在定義模組和引入模組時會去處理 __esModule 標識，從而相容其在語法上的差異。

非同步和擴充套件

1、瀏覽器環境下，網路資源受到較大的限制，因此打包出來的檔案如果體積巨大，對頁面效能的損耗極大，因此需要對構建的目標檔案進行拆分，同時模組也需要支援動態載入；

webpack 提供了兩個方法 require.ensure() 和 import() （推薦使用）進行模組的動態載入，至於其中的原理，跟上面提及的 AMD & CMD 所見略同，import() 執行後返回一個 Promise 物件，其中所做的工作無非也是動態新增 script 標籤，然後通過 onload / onerror 事件進一步處理。

2、由於 require 函式是完全自定義的，我們可以在模組化中實現更多的特性，比如通過修改 require.resolve 或 Module._extensions 擴充套件支援的檔案型別，使得 css / .jsx / .vue / 圖片等檔案也能為模組化所使用；

附錄1：特性一覽表

模組化規範	載入方式	載入時機	執行環境	備註
AMD	非同步	執行時	瀏覽器
CMD	非同步	執行時	瀏覽器
CommonJS	同步/非同步	執行時	瀏覽器 / Node
ES Module	同步/非同步	編譯階段	瀏覽器 / Node	通過 import() 實現非同步載入

附錄2：參考

• AMD 模組化規範: github.com/amdjs/amdjs…
• CMD 模組定義規範：github.com/seajs/seajs…
• webpack 模組相關文件: webpack.js.org/concepts/mo…
• 瀏覽器載入 CommonJS 模組的原理與實現：www.ruanyifeng.com/blog/2015/0…