Nodejs的模块机制（require() 源码解读）

require() 源码解读

作者：阮一峰

日期： 2015年5月20日

2009年，Node.js 项目诞生，所有模块一律为 CommonJS 格式。

时至今日，Node.js 的模块仓库 npmjs.com ，已经存放了15万个模块，其中绝大部分都是 CommonJS 格式。

这种格式的核心就是 require 语句，模块通过它加载。学习 Node.js ，必学如何使用 require 语句。本文通过源码分析，详细介绍 require 语句的内部运行机制，帮你理解 Node.js 的模块机制。

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。

二、Module 构造函数

了解内部逻辑以后，下面就来看源码。

require 的源码在 Node 的 lib/module.js 文件。为了便于理解，本文引用的源码是简化过的，并且删除了原作者的注释。


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

module.exports = Module;

var module = new Module(filename, parent);

上面代码中，Node 定义了一个构造函数 Module，所有的模块都是 Module 的实例。可以看到，当前模块（module.js）也是 Module 的一个实例。

每个实例都有自己的属性。下面通过一个例子，看看这些属性的值是什么。新建一个脚本文件 a.js 。


// a.js

console.log('module.id: ', module.id);
console.log('module.exports: ', module.exports);
console.log('module.parent: ', module.parent);
console.log('module.filename: ', module.filename);
console.log('module.loaded: ', module.loaded);
console.log('module.children: ', module.children);
console.log('module.paths: ', module.paths);

运行这个脚本。


$ node a.js

module.id:  .
module.exports:  {}
module.parent:  null
module.filename:  /home/ruanyf/tmp/a.js
module.loaded:  false
module.children:  []
module.paths:  [ '/home/ruanyf/tmp/node_modules',
  '/home/ruanyf/node_modules',
  '/home/node_modules',
  '/node_modules' ]

可以看到，如果没有父模块，直接调用当前模块，parent 属性就是 null，id 属性就是一个点。filename 属性是模块的绝对路径，path 属性是一个数组，包含了模块可能的位置。另外，输出这些内容时，模块还没有全部加载，所以 loaded 属性为 false 。

新建另一个脚本文件 b.js，让其调用 a.js 。


// b.js

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

运行 b.js 。


$ node b.js

module.id:  /home/ruanyf/tmp/a.js
module.exports:  {}
module.parent:  { object }
module.filename:  /home/ruanyf/tmp/a.js
module.loaded:  false
module.children:  []
module.paths:  [ '/home/ruanyf/tmp/node_modules',
  '/home/ruanyf/node_modules',
  '/home/node_modules',
  '/node_modules' ]

上面代码中，由于 a.js 被 b.js 调用，所以 parent 属性指向 b.js 模块，id 属性和 filename 属性一致，都是模块的绝对路径。

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._extensions[extension](this, filename);
  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。

（完）