分析web前端模块化

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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。

// 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)  modmodule.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/__dirname。import.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'

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. 鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区

2.  模块识别（解析依赖模块 url，找到真实的下载路径）；

3.  文件下载（从指定的 url 进行下载，或从文件系统进行加载）；

4.  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         import $ from 'jQuery'    $(function () {      $('#app').html('init')    })  

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'

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。

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。

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。

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。

      alert('当前浏览器不支持 ESM ！！！')  

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。

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：

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。

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