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作者：Morrain
一、前言
上一篇《前端科普系列（2）：Node.js 换个角度看世界》，我们聊了 Node.js 相关的东西，Node.js 能在诞生后火到如此一塌糊涂，离不开它成熟的模块化实现，Node.js 的模块化是在 CommonJS 规范的基础上实现的。那 CommonJS 又是什么呢？
先来看下，它在维基百科上的定义：
CommonJS 是一个项目，其目标是为 JavaScript 在网页浏览器之外创建模块约定。创建这个项目的主要原因是当时缺乏普遍可接受形式的 JavaScript 脚本模块单元，模块在与运行JavaScript 脚本的常规网页浏览器所提供的不同的环境下可以重复使用。
我们知道，很长一段时间 JavaScript 语言是没有模块化的概念的，直到 Node.js 的诞生，把 JavaScript 语言带到服务端后，面对文件系统、网络、操作系统等等复杂的业务场景，模块化就变得不可或缺。于是 Node.js 和 CommonJS 规范就相得益彰、相映成辉，共同走入开发者的视线。
由此可见，CommonJS 最初是服务于服务端的，所以我说 CommonJS 不是前端，但它的载体是前端语言 JavaScript，为后面前端模块化的盛行产生了深远的影响，奠定了结实的基础。CommonJS：不是前端却革命了前端!
二、为什么需要模块化
1、没有模块化时，前端是什么样子
在之前的《Web：一路前行一路忘川》中，我们提到过 JavaScript 诞生之初只是作为一个脚本语言来使用，做一些简单的表单校验等等。所以代码量很少，最开始都是直接写到
随着业务进一步复杂，Ajax 诞生以后，前端能做的事情越来越多，代码量飞速增长，开发者们开始把 JavaScript 写到独立的 js 文件中，与 html 文件解耦。像下面这样：
// index.html
// mine.js
var name = 'morrain'
var age = 18
再后来，更多的开发者参与进来，更多的 js 文件被引入进来:
// index.html
// mine.js
var name = 'morrain'
var age = 18
// a.js
var name = 'lilei'
var age = 15
// b.js
var name = 'hanmeimei'
var age = 13
不难发现，问题已经来了！JavaScript 在 ES6 之前是没有模块系统，也没有封闭作用域的概念的，所以上面三个 js 文件里申明的变量都会存在于全局作用域中。不同的开发者维护不同的 js 文件，很难保证不和其它 js 文件冲突。全局变量污染开始成为开发者的噩梦。
2、模块化的原型
为了解决全局变量污染的问题，开发者开始使用命名空间的方法，既然命名会冲突，那就加上命名空间呗，如下所示：
// index.html
// mine.js
app.mine = {}
app.mine.name = 'morrain'
app.mine.age = 18
// a.js
app.moduleA = {}
app.moduleA.name = 'lilei'
app.moduleA.age = 15
// b.js
app.moduleB = {}
app.moduleB.name = 'hanmeimei'
app.moduleB.age = 13
此时，已经开始有隐隐约约的模块化的概念，只不过是用命名空间实现的。这样在一定程度上是解决了命名冲突的问题， b.js 模块的开发者，可以很方便的通过 app.moduleA.name 来取到模块A中的名字，但是也可以通过 app.moduleA.name = 'rename' 来任意改掉模块A中的名字，而这件事情，模块A却毫不知情！这显然是不被允许的。
聪明的开发者又开始利用 JavaScript 语言的函数作用域，使用闭包的特性来解决上面的这一问题。
// index.html
// mine.js
app.mine = (function(){
var name = 'morrain'
var age = 18
return {
getName: function(){
return name
}
}
})()
// a.js
app.moduleA = (function(){
var name = 'lilei'
var age = 15
return {
getName: function(){
return name
}
}
})()
// b.js
app.moduleB = (function(){
var name = 'hanmeimei'
var age = 13
return {
getName: function(){
return name
}
}
})()
现在 b.js 模块可以通过
app.moduleA.getName() 来取到模块A的名字，但是各个模块的名字都保存在各自的函数内部，没有办法被其它模块更改。这样的设计，已经有了模块化的影子，每个模块内部维护私有的东西，开放接口给其它模块使用，但依然不够优雅，不够完美。譬如上例中，模块B可以取到模块A的东西，但模块A却取不到模块B的，因为上面这三个模块加载有先后顺序，互相依赖。当一个前端应用业务规模足够大后，这种依赖关系又变得异常难以维护。
综上所述，前端需要模块化，并且模块化不光要处理全局变量污染、数据保护的问题，还要很好的解决模块之间依赖关系的维护。
三、CommonJS 规范简介
既然 JavaScript 需要模块化来解决上面的问题，那就需要制定模块化的规范，CommonJS 就是解决上面问题的模块化规范，规范就是规范，没有为什么，就和编程语言的语法一样。我们一起来看看。
1、CommonJS 概述
Node.js 应用由模块组成，每个文件就是一个模块，有自己的作用域。在一个文件里面定义的变量、函数、类，都是私有的，对其他文件不可见。
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
上面代码中，a.js 是 Node.js 应用中的一个模块，里面申明的变量 name 和 age 是 a.js 私有的，其它文件都访问不到。
CommonJS 规范还规定，每个模块内部有两个变量可以使用，require 和 module。
require 用来加载某个模块
module 代表当前模块，是一个对象，保存了当前模块的信息。exports 是 module 上的一个属性，保存了当前模块要导出的接口或者变量，使用 require 加载的某个模块获取到的值就是那个模块使用 exports 导出的值
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
module.exports.name = name
module.exports.getAge = function(){
return age
}
//b.js
var a = require('a.js')
console.log(a.name) // 'morrain'
console.log(a.getAge())// 18
2、CommonJS 之 exports
为了方便，Node.js 在实现 CommonJS 规范时，为每个模块提供一个 exports的私有变量，指向 module.exports。你可以理解为 Node.js 在每个模块开始的地方，添加了如下这行代码。
var exports = module.exports
于是上面的代码也可以这样写：
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
exports.name = name
exports.getAge = function(){
return age
}
有一点要尤其注意，exports 是模块内的私有局部变量，它只是指向了 module.exports，所以直接对 exports 赋值是无效的，这样只是让 exports 不再指向module.exports了而已。
如下所示：
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
exports = name
如果一个模块的对外接口，就是一个单一的值，可以使用 module.exports 导出
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
module.exports = name
3、CommonJS 之 require
require 命令的基本功能是，读入并执行一个 js 文件，然后返回该模块的 exports 对象。如果没有发现指定模块，会报错。
第一次加载某个模块时，Node.js 会缓存该模块。以后再加载该模块，就直接从缓存取出该模块的 module.exports 属性返回了。
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
exports.name = name
exports.getAge = function(){
return age
}
// b.js
var a = require('a.js')
console.log(a.name) // 'morrain'
a.name = 'rename'
var b = require('a.js')
console.log(b.name) // 'rename'
如上所示，第二次 require 模块A时，并没有重新加载并执行模块A。而是直接返回了第一次 require 时的结果，也就是模块A的 module.exports。
还一点需要注意，CommonJS 模块的加载机制是，require 的是被导出的值的拷贝。也就是说，一旦导出一个值，模块内部的变化就影响不到这个值 。
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
exports.name = name
exports.age = age
exports.setAge = function(a){
age = a
}
// b.js
var a = require('a.js')
console.log(a.age) // 18
a.setAge(19)
console.log(a.age) // 18
四、CommonJS 实现
了解 CommonJS 的规范后，不难发现我们在写符合 CommonJS 规范的模块时，无外乎就是使用了 require 、 exports 、 module 三个东西，然后一个 js 文件就是一个模块。如下所示：
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
exports.name = name
exports.getAge = function () {
return age
}
// b.js
var a = require('a.js')
console.log('a.name=', a.name)
console.log('a.age=', a.getAge())
var name = 'lilei'
var age = 15
exports.name = name
exports.getAge = function () {
return age
}
// index.js
var b = require('b.js')
console.log('b.name=',b.name)
如果我们向一个立即执行函数提供 require 、 exports 、 module 三个参数，模块代码放在这个立即执行函数里面。模块的导出值放在 module.exports 中，这样就实现了模块的加载。如下所示：
(function(module, exports, require) {
// b.js
var a = require("a.js")
console.log('a.name=', a.name)
console.log('a.age=', a.getAge())
var name = 'lilei'
var age = 15
exports.name = name
exports.getAge = function () {
return age
}
})(module, module.exports, require)
知道这个原理后，就很容易把符合 CommonJS 模块规范的项目代码，转化为浏览器支持的代码。很多工具都是这么实现的，从入口模块开始，把所有依赖的模块都放到各自的函数中，把所有模块打包成一个能在浏览器中运行的 js 文件。譬如 Browserify 、webpack 等等。
我们以 webpack 为例，看看如何实现对 CommonJS 规范的支持。我们使用 webpack 构建时，把各个模块的文件内容按照如下格式打包到一个 js 文件中，因为它是一个立即执行的匿名函数，所以可以在浏览器直接运行。
// bundle.js
(function (modules) {
// 模块管理的实现
})({
'a.js': function (module, exports, require) {
// a.js 文件内容
},
'b.js': function (module, exports, require) {
// b.js 文件内容
},
'index.js': function (module, exports, require) {
// index.js 文件内容
}
})
接下来，我们需要按照 CommonJS 的规范，去实现模块管理的内容。首先我们知道，CommonJS 规范有说明，加载过的模块会被缓存，所以需要一个对象来缓存已经加载过的模块，然后需要一个 require 函数来加载模块，在加载时要生成一个 module，并且 module 上 要有一个 exports 属性，用来接收模块导出的内容。
// bundle.js
(function (modules) {
// 模块管理的实现
var installedModules = {}
/**
* 加载模块的业务逻辑实现
* @param {String} moduleName 要加载的模块名
*/
var require = function (moduleName) {
// 如果已经加载过，就直接返回
if (installedModules[moduleName]) return installedModules[moduleName].exports
// 如果没有加载，就生成一个 module，并放到 installedModules
var module = installedModules[moduleName] = {
moduleName: moduleName,
exports: {}
}
// 执行要加载的模块
modules[moduleName].call(modules.exports, module, module.exports, require)
return module.exports
}
return require('index.js')
})({
'a.js': function (module, exports, require) {
// a.js 文件内容
},
'b.js': function (module, exports, require) {
// b.js 文件内容
},
'index.js': function (module, exports, require) {
// index.js 文件内容
}
})
可以看到， CommonJS 核心的规范，上面的实现中都满足了。非常简单，没想像的那么难。
五、其它前端模块化的方案
我们对 CommonJS 的规范已经非常熟悉了，require 命令的基本功能是，读入并执行一个 js 文件，然后返回该模块的 exports 对象，这在服务端是可行的，因为服务端加载并执行一个文件的时间消费是可以忽略的，模块的加载是运行时同步加载的，require 命令执行完后，文件就执行完了，并且成功拿到了模块导出的值。
这种规范天生就不适用于浏览器，因为它是同步的。可想而知，浏览器端每加载一个文件，要发网络请求去取，如果网速慢，就非常耗时，浏览器就要一直等 require 返回，就会一直卡在那里，阻塞后面代码的执行，从而阻塞页面渲染，使得页面出现假死状态。
为了解决这个问题，后面发展起来了众多的前端模块化规范，包括 CommonJS 大致有如下几种：
1、AMD (Asynchronous Module Definition)
在聊 AMD 之前，先熟悉一下 RequireJS。
官网是这么介绍它的：
"RequireJS is a JavaScript file and module loader. It is optimized for in-browser use, but it can be used in other JavaScript environments, like Rhino and Node. Using a modular script loader like RequireJS will improve the speed and quality of your code."
翻译过来大致就是：
RequireJS 是一个 js 文件和模块加载器。它非常适合在浏览器中使用，但它也可以用在其他 js 环境, 就像 Rhino 和 Node。使用 RequireJS 加载模块化脚本能提高代码的加载速度和质量。
它解决了 CommonJS 规范不能用于浏览器端的问题，而 AMD 就是 RequireJS 在推广过程中对模块定义的规范化产出。
来看看 AMD 规范的实现：
首先要在 html 文件中引入 require.js 工具库，就是这个库提供了定义模块、加载模块等功能。它提供了一个全局的 define 函数用来定义模块。所以在引入 require.js 文件后，再引入的其它文件，都可以使用 define 来定义模块。
define(id?, dependencies?, factory)
id：可选参数，用来定义模块的标识，如果没有提供该参数，就使用 js 文件名（去掉拓展名）对于一个 js 文件只定义了一个模块时，这个参数是可以省略的。dependencies：可选参数，是一个数组，表示当前模块的依赖，如果没有依赖可以不传 factory：工厂方法，模块初始化要执行的函数或对象。如果为函数，它应该只被执行一次，返回值便是模块要导出的值。如果是对象，此对象应该为模块的输出值。
所以模块A可以这么定义：
// a.js
define(function(){
var name = 'morrain'
var age = 18
return {
name,
getAge: () => age
}
})
// b.js
define(['a.js'], function(a){
var name = 'lilei'
var age = 15
console.log(a.name) // 'morrain'
console.log(a.getAge()) // 18
return {
name,
getAge: () => age
}
})
它采用异步方式加载模块，模块的加载不影响它后面语句的运行。所有依赖这个模块的语句，都定义在回调函数中，等到加载完成之后，这个回调函数才会运行。
RequireJS 的基本思想是，通过 define 方法，将代码定义为模块。当这个模块被 require 时，它开始加载它依赖的模块，当所有依赖的模块加载完成后，开始执行回调函数，返回值是该模块导出的值。AMD 是 "Asynchronous Module Definition" 的缩写，意思就是"异步模块定义"。
2、CMD (Common Module Definition)
和 AMD 类似，CMD 是 Sea.js 在推广过程中对模块定义的规范化产出。Sea.js 是阿里的玉伯写的。它的诞生在 RequireJS 之后，玉伯觉得 AMD 规范是异步的，模块的组织形式不够自然和直观。于是他在追求能像 CommonJS 那样的书写形式。于是就有了 CMD 。
Sea.js 官网这么介绍 Sea.js：
"Sea.js 追求简单、自然的代码书写和组织方式，具有以下核心特性："
"简单友好的模块定义规范：Sea.js 遵循 CMD 规范，可以像 Node.js 一般书写模块代码。自然直观的代码组织方式：依赖的自动加载、配置的简洁清晰，可以让我们更多地享受编码的乐趣。"
来看看 CMD 规范的实现：
首先要在 html 文件中引入 sea.js 工具库，就是这个库提供了定义模块、加载模块等功能。它提供了一个全局的 define 函数用来定义模块。所以在引入 sea.js 文件后，再引入的其它文件，都可以使用 define 来定义模块。
// 所有模块都通过 define 来定义
define(function(require, exports, module) {
// 通过 require 引入依赖
var a = require('xxx')
var b = require('yyy')
// 通过 exports 对外提供接口
exports.doSomething = ...
// 或者通过 module.exports 提供整个接口
module.exports = ...
})
// a.js
define(function(require, exports, module){
var name = 'morrain'
var age = 18
exports.name = name
exports.getAge = () => age
})
// b.js
define(function(require, exports, module){
var name = 'lilei'
var age = 15
var a = require('a.js')
console.log(a.name) // 'morrain'
console.log(a.getAge()) //18
exports.name = name
exports.getAge = () => age
})
Sea.js 可以像 CommonsJS 那样同步的形式书写模块代码的秘诀在于：当 b.js 模块被 require 时，b.js 加载后，Sea.js 会扫描 b.js 的代码，找到 require 这个关键字，提取所有的依赖项，然后加载，等到依赖的所有模块加载完成后，执行回调函数，此时再执行到 require('a.js') 这行代码时，a.js 已经加载好在内存中了
3、ES6 Module
前面提到的 CommonJS 是服务于服务端的，而 AMD、CMD 是服务于浏览器端的，但它们都有一个共同点：都在代码运行后才能确定导出的内容，CommonJS 实现中可以看到。
还有一点需要注意，AMD 和 CMD 是社区的开发者们制定的模块加载方案，并不是语言层面的标准。从 ES6 开始，在语言标准的层面上，实现了模块化功能，而且实现得相当简单，完全可以取代 CommonJS 和 CMD、AMD 规范，成为浏览器和服务器通用的模块解决方案。
事实也是如些，早在2013年5月，Node.js 的包管理器 NPM 的作者 Isaac Z. Schlueter 说过 CommonJS 已经过时，Node.js 的内核开发者已经决定废弃该规范。原因主要有两个，一个是因为 Node.js 本身也不是完全采用 CommonJS 的规范，譬如在CommonJS 之 exports 中的提到 exports 属性就是 Node.js 自己加的，Node.js 当时是决定不再跟随 CommonJS 的发展而发展了。二来就是 Node.js 也在逐步用 ES6 Module 替代 CommonJS。
2017.9.12 Node.js 发布的 8.5.0 版本开始支持 ES6 Module。只不过是处于实验阶段。需要添加 --experimental-modules 参数。
2019.11.21 Node.js 发布的 13.2.0 版本中取消了 --experimental-modules 参数 ，也就是说从 v13.2 版本开始，Node.js 已经默认打开了 ES6 Module 的支持。
（1）****ES6 Module 语法
任何模块化，都必须考虑的两个问题就是导入依赖和导出接口。ES6 Module 也是如此，模块功能主要由两个命令构成：export 和 import。export 命令用于导出模块的对外接口，import 命令用于导入其他模块导出的内容。
具体语法讲解请参考阮一峰老师的教程，示例如下：
// a.js
export const name = 'morrain'
const age = 18
export function getAge () {
return age
}
//等价于
const name = 'morrain'
const age = 18
function getAge (){
return age
}
export {
name,
getAge
}
使用 export 命令定义了模块的对外接口以后，其他 JavaScript 文件就可以通过 import 命令加载这个模块。
// b.js
import { name as aName, getAge } from 'a.js'
export const name = 'lilei'
console.log(aName) // 'morrain'
const age = getAge()
console.log(age) // 18
// 等价于
import * as a from 'a.js'
export const name = 'lilei'
console.log(a.name) // 'morrin'
const age = a.getAge()
console.log(age) // 18
除了指定加载某个输出值，还可以使用整体加载，即用星号（*）指定一个对象，所有输出值都加载在这个对象上面。
从上面的例子可以看到，使用 import 命令的时候，用户需要知道所要导入的变量名，这有时候比较麻烦，于是 ES6 Module 规定了一种方便的用法，使用 export default命令，为模块指定默认输出。
// a.js
const name = 'morrain'
const age = 18
function getAge () {
return age
}
export default {
name,
getAge
}
// b.js
import a from 'a.js'
console.log(a.name) // 'morrin'
const age = a.getAge()
console.log(age) // 18
显然，一个模块只能有一个默认输出，因此 export default 命令只能使用一次。同时可以看到，这时 import 命令后面，不需要再使用大括号了。
除了基础的语法外，还有 as 的用法、export 和 import 复合写法、export * from 'a'、import()动态加载 等内容，可以自行学习。
前面提到的 Node.js 已经默认支持 ES6 Module ，浏览器也已经全面支持 ES6 Module。至于 Node.js 和 浏览器 如何使用 ES6 Module，可以自行学习。
（2）ES6 Module 和 CommonJS 的区别
CommonJS 只能在运行时确定导出的接口，实际导出的就是一个对象。而 ES6 Module 的设计思想是尽量的静态化，使得编译时就能确定模块的依赖关系，以及导入和导出的变量，也就是所谓的"编译时加载"。
正因为如此，import 命令具有提升效果，会提升到整个模块的头部，首先执行。下面的代码是合法的，因为 import 的执行早于 getAge 的调用。
// a.js
export const name = 'morrain'
const age = 18
export function getAge () {
return age
}
// b.js
const age = getAge()
console.log(age) // 18
import { getAge } from 'a.js'
也正因为 ES6 Module 是编译时加载， 所以不能使用表达式和变量，因为这些是只有在运行时才能得到结果的语法结构。如下所示：
// 报错
import { 'n' + 'ame' } from 'a.js'
// 报错
let module = 'a.js'
import { name } from module
前面在CommonJS 之 require有提到，require 的是被导出的值的拷贝。也就是说，一旦导出一个值，模块内部的变化就影响不到这个值。一起来看看，ES Module是什么样的。
先回顾一下之前的例子：
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
exports.name = name
exports.age = age
exports.setAge = function(a){
age = a
}
// b.js
var a = require('a.js')
console.log(a.age) // 18
a.setAge(19)
console.log(a.age) // 18
使用 ES6 Module 来实现这个例子：
// a.js
var name = 'morrain'
var age = 18
const setAge = a => age = a
export {
name,
age,
setAge
}
// b.js
import * as a from 'a.js'
console.log(a.age) // 18
a.setAge(19)
console.log(a.age) // 19
ES6 Module 是 ES6 中对模块的规范，ES6 是 ECMAScript 6.0 的简称，是 JavaScript 语言的下一代标准，已经在 2015 年 6 月正式发布了。我们在第一节的《Web：一路前行一路忘川》中提过，ES6 从制定到发布历经了十几年，引入了很多的新特性以及新的机制，对于开发者而言，学习成本还是蛮大的。
下一篇，聊聊 ES6+ 和 Babel，敬请期待……
六、参考文献
CommonJS规范
ES Module 的语法
ES Module 的加载实现
前端模块化开发解决方案详解
webpack模块化原理-commonjs