深入了解Nodejs模块机制

我们都知道Nodejs遵循的是CommonJS规范，当我们require('moduleA')时，模块是怎么通过名字或者路径获取到模块的呢？首先要聊一下模块引用、模块定义、模块标识三个概念。

1 CommonJS规范

1.1 模块引用

模块上下文提供require()方法来引入外部模块，看似简单的require函数， 其实内部做了大量工作。示例代码如下：

//test.js
//引入一个模块到当前上下文中
const math = require('math');
math.add(1, 2);

1.2 模块定义

模块上下文提供了exports对象用于导入导出当前模块的方法或者变量，并且它是唯一的导出出口。模块中存在一个module对象，它代表模块自身，exports是module的属性。一个文件就是一个模块，将方法作为属性挂载在exports上就可以定义导出的方式：

//math.js
exports.add = function () {
    let sum = 0, i = 0, args = arguments, l = args.length;
    while(i < l) {
        sum += args[i++];
    }
    return sum;
}

这样就可像test.js里那样在require()之后调用模块的属性或者方法了。

1.3 模块标识

模块标识就是传递给require()方法的参数，它必须是符合小驼峰命名的字符串，或者以.、..开头的相对路径或者绝对路径，可以没有文件后缀名.js.

2. Node的模块实现

在Node中引入模块，需要经历如下四个步骤:

• 路径分析
• 文件定位
• 编译执行
• 加入内存

2.1 路径分析

Node.js中模块可以通过文件路径或名字获取模块的引用。模块的引用会映射到一个js文件路径。 在Node中模块分为两类：

• 一是Node提供的模块，称为核心模块（内置模块），内置模块公开了一些常用的API给开发者，并且它们在Node进程开始的时候就预加载了。
• 另一类是用户编写的模块，称为文件模块。如通过NPM安装的第三方模块（third-party modules）或本地模块（local modules），每个模块都会暴露一个公开的API。以便开发者可以导入。如

const mod = require('module_name')
const { methodA } = require('module_name')

执行后，Node内部会载入内置模块或通过NPM安装的模块。require函数会返回一个对象，该对象公开的API可能是函数、对象或者属性如函数、数组甚至任意类型的JS对象。

核心模块是Node源码在编译过程中编译进了二进制执行文件。在Node启动时这些模块就被加载进内存中，所以核心模块引入时省去了文件定位和编译执行两个步骤，并且在路径分析中优先判断，因此核心模块的加载速度是最快的。文件模块则是在运行时动态加载，速度比核心模块慢。

这里列下node模块的载入及缓存机制：

1、载入内置模块（A Core Module）

2、载入文件模块（A File Module）

3、载入文件目录模块（A Folder Module）

4、载入node_modules里的模块

5、自动缓存已载入模块

1、载入内置模块

Node的内置模块被编译为二进制形式，引用时直接使用名字而非文件路径。当第三方的模块和内置模块同名时，内置模块将覆盖第三方同名模块。因此命名时需要注意不要和内置模块同名。如获取一个http模块

const http = require('http')

返回的http即是实现了HTTP功能Node的内置模块。

2、载入文件模块

绝对路径的

const myMod = require('/home/base/my_mod')

或相对路径的

const myMod = require('./my_mod')

注意，这里忽略了扩展名.js，以下是对等的

const myMod = require('./my_mod')
const myMod = require('./my_mod.js')

3、载入文件目录模块

可以直接require一个目录，假设有一个目录名为folder，如

const myMod = require('./folder')

此时，Node将搜索整个folder目录，Node会假设folder为一个包并试图找到包定义文件package.json。如果folder目录里没有包含package.json文件，Node会假设默认主文件为index.js，即会加载index.js。如果index.js也不存在， 那么加载将失败。

4、载入node_modules里的模块

如果模块名不是路径，也不是内置模块，Node将试图去当前目录的node_modules文件夹里搜索。如果当前目录的node_modules里没有找到，Node会从父目录的node_modules里搜索，这样递归下去直到根目录。

5、自动缓存已载入模块

对于已加载的模块Node会缓存下来，而不必每次都重新搜索。下面是一个示例

// modA.js
console.log('模块modA开始加载...')
exports = function() {
    console.log('Hi')
}
console.log('模块modA加载完毕')

//init.js
var mod1 = require('./modA')
var mod2 = require('./modA')
console.log(mod1 === mod2)

命令行node init.js执行：

模块modA开始加载...
模块modA加载完毕
true

可以看到虽然require了两次，但modA.js仍然只执行了一次。mod1和mod2是相同的，即两个引用都指向了同一个模块对象。

优先从缓存加载

和浏览器会缓存静态js文件一样，Node也会对引入的模块进行缓存，不同的是，浏览器仅仅缓存文件，而nodejs缓存的是编译和执行后的对象（缓存内存）
require()对相同模块的二次加载一律采用缓存优先的方式，这是第一优先级的，核心模块缓存检查先于文件模块的缓存检查。

基于这点：我们可以编写一个模块，用来记录长期存在的变量。例如：我可以编写一个记录接口访问数的模块：

let count = {}; // 因模块是封闭的，这里实际上借用了js闭包的概念
exports.count = function(name){
     if(count[name]){
          count[name]++;
     }else{
          count[name] = 1;
     }
     console.log(name + '被访问了' + count[name] + '次。');
};

我们在路由的 action 或 controller里这样引用:

let count = require('count');

export.index = function(req, res){
    count('index');
};

以上便完成了对接口调用数的统计，但这只是个demo，因为数据存储在内存，服务器重启后便会清空。真正的计数器一定是要结合持久化存储器的。

在进入路径查找之前有必要描述一下module path这个Node.js中的概念。对于每一个被加载的文件模块，创建这个模块对象的时候，这个模块便会有一个paths属性，其值根据当前文件的路径 计算得到。我们创建modulepath.js这样一个文件，其内容为：

// modulepath.js
console.log(module.paths);

我们将其放到任意一个目录中执行node modulepath.js命令，将得到以下的输出结果。

[ '/home/ikeepstudying/research/node_modules',
'/home/ikeepstudying/node_modules',
'/home/node_modules',
'/node_modules' ]

2.2 文件定位

1.文件扩展名分析

调用require()方法时若参数没有文件扩展名，Node会按.js、.json、.node的顺寻补足扩展名，依次尝试。

在尝试过程中，需要调用fs模块阻塞式地判断文件是否存在。因为Node的执行是单线程的，这是一个会引起性能问题的地方。如果是.node或者·.json·文件可以加上扩展名加快一点速度。另一个诀窍是：同步配合缓存。

2.目录分析和包

require()分析文件扩展名后，可能没有查到对应文件，而是找到了一个目录，此时Node会将目录当作一个包来处理。

首先， Node在挡墙目录下查找package.json，通过JSON.parse()解析出包描述对象，从中取出main属性指定的文件名进行定位。若main属性指定文件名错误，或者没有pachage.json文件，Node会将index当作默认文件名。

简而言之，如果require绝对路径的文件，查找时不会去遍历每一个node_modules目录，其速度最快。其余流程如下：

1.从module path数组中取出第一个目录作为查找基准。

2.直接从目录中查找该文件，如果存在，则结束查找。如果不存在，则进行下一条查找。

3.尝试添加.js、.json、.node后缀后查找，如果存在文件，则结束查找。如果不存在，则进行下一条。

4.尝试将require的参数作为一个包来进行查找，读取目录下的package.json文件，取得main参数指定的文件。

5.尝试查找该文件，如果存在，则结束查找。如果不存在，则进行第3条查找。

6.如果继续失败，则取出module path数组中的下一个目录作为基准查找，循环第1至5个步骤。

7.如果继续失败，循环第1至6个步骤，直到module path中的最后一个值。

8.如果仍然失败，则抛出异常。

整个查找过程十分类似原型链的查找和作用域的查找。所幸Node.js对路径查找实现了缓存机制，否则由于每次判断路径都是同步阻塞式进行，会导致严重的性能消耗。

一旦加载成功就以模块的路径进行缓存

2.3 模块编译

每个模块文件模块都是一个对象，它的定义如下:

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

对于不同扩展名，其载入方法也有所不同：

• .js通过fs模块同步读取文件后编译执行。
• .node这是C/C++编写的扩展文件，通过dlopen()方法加载最后编译生成的文件
• .json同过fs模块同步读取文件后，用JSON.pares()解析返回结果

其他当作.js

每一个编译成功的模块都会将其文件路径作为索引缓存在Module._cache对象上。

json 文件的编译

.json文件调用的方法如下:其实就是调用JSON.parse

//Native extension for .json
Module._extensions['.json'] = function(module, filename) {
    var content = NativeModule.require('fs').readFileSync(filename, 'utf-8');
    try {
        module.exports = JSON.parse(stripBOM(content));
    } catch(err) {
        err.message = filename + '：' + err.message;
        throw err;
    }
}

Module._extensions会被赋值给require()的extensions属性，所以可以用:console.log(require.extensions);输出系统中已有的扩展加载方式。
当然也可以自己增加一些特殊的加载:

require.extensions['.txt'] = function(){
//code
};。

但是官方不鼓励通过这种方式自定义扩展名加载，而是期望先将其他语言或文件编译成JavaScript文件后再加载，这样的好处在于不讲烦琐的编译加载等过程引入Node的执行过程。

js模块的编译
在编译的过程中，Node对获取的javascript文件内容进行了头尾包装，将文件内容包装在一个function中：

(function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
    var math = require(‘math‘);
    exports.area = function(radius) {
       return Math.PI * radius * radius;
    }
})

包装之后的代码会通过vm原生模块的runInThisContext()方法执行（具有明确上下文，不污染全局），返回一个具体的function对象，最后传参执行，执行后返回module.exports.

核心模块编译

核心模块分为C/C++编写和JavaScript编写的两个部分，其中C/C++文件放在Node项目的src目录下，JavaScript文件放在lib目录下。

1.转存为C/C++代码

Node采用了V8附带的js2c.py工具，将所有内置的JavaScript代码转换成C++里的数组，生成node_natives.h头文件：

namespace node {
    const char node_native[] = { 47, 47, ..};
    const char dgram_native[] = { 47, 47, ..};
    const char console_native = { 47, 47, ..};
    const char buffer_native = { 47, 47, ..};
    const char querystring_native = { 47, 47, ..};
    const char punycode_native = { 47, 47, ..};
    ...
    struct _native {
        const char* name;
        const char* source;
        size_t source_len;
    }
    static const struct _native natives[] = {
      { "node", node_native, sizeof(node_native)-1},
      { "dgram", dgram_native, sizeof(dgram_native)-1},
      ...
    };
}

在这个过程中，JavaScript代码以字符串形式存储在node命名空间中,是不可直接执行的。在启动Node进程时，js代码直接加载到内存中。在加载的过程中，js核心模块经历标识符分析后直接定位到内存中。

2.编译js核心模块

lib目录下的模块文件也在引入过程中经历了头尾包装的过程，然后才执行和导出了exports对象。与文件模块的区别在于：获取源代码的方式（核心模块从内存加载）和缓存执行结果的位置。

js核心模块源文件通过process.binding('natives')取出，编译成功的模块缓存到NativeModule._cache上。代码如下：

function NativeModule() {
    this.filename = id + '.js';
    this.id = id;
    this.exports = {};
    this.loaded = fales;
}
NativeModule._source = process.binding('natives');
NativeModule._cache = {};

3 import和require

简单的说一下import和require的本质区别

import是ES6的模块规范，require是commonjs的模块规范，详细的用法我不介绍，我只想说一下他们最基本的区别，import是静态加载模块，require是动态加载，那么静态加载和动态加载的区别是什么呢？

静态加载时代码在编译的时候已经执行了，动态加载是编译后在代码运行的时候再执行，那么具体点是什么呢？
先说说import，如下代码

import { name } from 'name.js'

// name.js文件
export let name = 'jinux'
export let age = 20

上面的代码表示main.js文件里引入了name.js文件导出的变量，在代码编译阶段执行后的代码如下：

let name = 'jinux'

这个是我自己理解的，其实就是直接把name.js里的代码放到了main.js文件里，好比是在main.js文件中声明一样。
再来看看require

var obj = require('obj.js');

// obj.js文件
var obj = {
  name: 'jinux',
  age: 20
}
module.export obj;

require是在运行阶段，需要把obj对象整个加载进内存，之后用到哪个变量就用哪个，这里再对比一下import，import是静态加载，如果只引入了name，age是不会引入的，所以是按需引入，性能更好一点。

4 nodejs清除require缓存

开发nodejs应用时会面临一个麻烦的事情，就是修改了配置数据之后，必须重启服务器才能看到修改后的结果。

于是问题来了，挖掘机哪家强？噢，no! no! no!怎么做到修改文件之后，自动重启服务器。

server.js中的片段：

const port = process.env.port || 1337;
app.listen(port);
console.log("server start in " + port);
exports.app = app;

假定我们现在是这样的, app.js的片段：

const app = require('./server.js');

如果我们在server.js中启动了服务器，我们停止服务器可以在app.js中调用

app.app.close()

但是当我们重新引入server.js

app =  require('./server.js')

的时候会发现并不是用的最新的server.js文件，原因是require的缓存机制，在第一次调用require('./server.js')的时候缓存下来了。

这个时候怎么办？

下面的代码解决了这个问题:

delete require.cache[require.resolve('./server.js')];
app = require('./server.js');