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【深度全面】前端JavaScript模块化规范进化论

2020.08.21 11:42 5119浏览

前言

JavaScript 语言诞生至今,模块规范化之路曲曲折折。社区先后出现了各种解决方案,包括 AMD、CMD、CommonJS 等,而后 ECMA 组织在 JavaScript 语言标准层面,增加了模块功能(因为该功能是在 ES2015 版本引入的,所以在下文中将之称为 ES6 module)。
今天我们就来聊聊,为什么会出现这些不同的模块规范,它们在所处的历史节点解决了哪些问题?

何谓模块化?

或根据功能、或根据数据、或根据业务,将一个大程序拆分成互相依赖的小文件,再用简单的方式拼装起来。

全局变量

演示项目

为了更好的理解各个模块规范,先增加一个简单的项目用于演示。

# 项目目录:
├─ js              # js文件夹
│  ├─ main.js      # 入口
│  ├─ config.js    # 项目配置
│  └─ utils.js     # 工具
└─  index.html     # 页面html

Window

在刀耕火种的前端原始社会,JS 文件之间的通信基本完全依靠window对象(借助 HTML、CSS 或后端等情况除外)。

// config.js
var api = 'https://github.com/ronffy';
var config = {
  api: api,
}
// utils.js
var utils = {
  request() {
    console.log(window.config.api);
  }
}
// main.js
window.utils.request();
<!-- index.html -->
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>小贼先生:【深度全面】JS模块规范进化论</title>
</head>
<body>

  <!-- 所有 script 标签必须保证顺序正确,否则会依赖报错 -->
  <script src="./js/config.js"></script>
  <script src="./js/utils.js"></script>
  <script src="./js/main.js"></script>
</body>
</html>

IIFE

浏览器环境下,在全局作用域声明的变量都是全局变量。全局变量存在命名冲突、占用内存无法被回收、代码可读性低等诸多问题。

这时,IIFE(匿名立即执行函数)出现了:

;(function () {
  ...
}());

用IIFE重构 config.js:

;(function (root) {
  var api = 'https://github.com/ronffy';
  var config = {
    api: api,
  };
  root.config = config;
}(window));

IIFE的出现,使全局变量的声明数量得到了有效的控制。

命名空间

依靠window对象承载数据的方式是“不可靠”的,如window.config.api,如果window.config不存在,则window.config.api就会报错,所以为了避免这样的错误,代码里会大量的充斥var api = window.config && window.config.api;这样的代码。

这时,namespace登场了,简约版本的namespace函数的实现(只为演示,不要用于生产):

function namespace(tpl, value) {
  return tpl.split('.').reduce((pre, curr, i) => {
    return (pre[curr] = i === tpl.split('.').length - 1
      ? (value || pre[curr])
      : (pre[curr] || {}))
  }, window);
}

namespace设置window.app.a.b的值:

namespace('app.a.b', 3); // window.app.a.b 值为 3

namespace获取window.app.a.b的值:

var b = namespace('app.a.b');  // b 的值为 3
 
var d = namespace('app.a.c.d'); // d 的值为 undefined 

app.a.c值为undefined,但因为使用了namespace, 所以app.a.c.d不会报错,变量d的值为undefined

AMD/CMD

随着前端业务增重,代码越来越复杂,靠全局变量通信的方式开始捉襟见肘,前端急需一种更清晰、更简单的处理代码依赖的方式,将 JS 模块化的实现及规范陆续出现,其中被应用较广的模块规范有 AMD 和 CMD。

面对一种模块化方案,我们首先要了解的是:1. 如何导出接口;2. 如何导入接口。

AMD

异步模块定义规范(AMD)制定了定义模块的规则,这样模块和模块的依赖可以被异步加载。这和浏览器的异步加载模块的环境刚好适应(浏览器同步加载模块会导致性能、可用性、调试和跨域访问等问题)。

本规范只定义了一个函数define,它是全局变量。

/**
 * @param {string} id 模块名称
 * @param {string[]} dependencies 模块所依赖模块的数组
 * @param {function} factory 模块初始化要执行的函数或对象
 * @return {any} 模块导出的接口
 */
function define(id?, dependencies?, factory): any

RequireJS

AMD 是一种异步模块规范,RequireJS 是 AMD 规范的实现。

接下来,我们用 RequireJS 重构上面的项目。

在原项目 js 文件夹下增加 require.js 文件:

# 项目目录:
├─ js                # js文件夹
│  ├─ ...
│  └─ require.js     # RequireJS 的 JS 库
└─  ...
// config.js
define(function() {
  var api = 'https://github.com/ronffy';
  var config = {
    api: api,
  };
  return config;
});
// utils.js
define(['./config'], function(config) {
  var utils = {
    request() {
      console.log(config.api);
    }
  };
  return utils;
});
// main.js
require(['./utils'], function(utils) {
  utils.request();
});
<!-- index.html  -->
<!-- ...省略其他 -->
<body>

  <script data-main="./js/main" src="./js/require.js"></script>
</body>
</html>

可以看到,使用 RequireJS 后,每个文件都可以作为一个模块来管理,通信方式也是以模块的形式,这样既可以清晰的管理模块依赖,又可以避免声明全局变量。

更多 AMD 介绍,请查看文档
更多 RequireJS 介绍,请查看文档

特别说明:
先有 RequireJS,后有 AMD 规范,随着 RequireJS 的推广和普及,AMD 规范才被创建出来。

CMD和AMD

CMD 和 AMD 一样,都是 JS 的模块化规范,也主要应用于浏览器端。
AMD 是 RequireJS 在的推广和普及过程中被创造出来。
CMD 是 SeaJS 在的推广和普及过程中被创造出来。

二者的的主要区别是 CMD 推崇依赖就近,AMD 推崇依赖前置:

// AMD
// 依赖必须一开始就写好
define(['./utils'], function(utils) {
  utils.request();
});

// CMD
define(function(require) {
  // 依赖可以就近书写
  var utils = require('./utils');
  utils.request();
});

AMD 也支持依赖就近,但 RequireJS 作者和官方文档都是优先推荐依赖前置写法。

考虑到目前主流项目中对 AMD 和 CMD 的使用越来越少,大家对 AMD 和 CMD 有大致的认识就好,此处不再过多赘述。

更多 CMD 规范,请查看文档
更多 SeaJS 文档,请查看文档

随着 ES6 模块规范的出现,AMD/CMD 终将成为过去,但毋庸置疑的是,AMD/CMD 的出现,是前端模块化进程中重要的一步。

CommonJS

前面说了, AMD、CMD 主要用于浏览器端,随着 node 诞生,服务器端的模块规范 CommonJS 被创建出来。

还是以上面介绍到的 config.js、utils.js、main.js 为例,看看 CommonJS 的写法:

// config.js
var api = 'https://github.com/ronffy';
var config = {
  api: api,
};
module.exports = config;
// utils.js
var config = require('./config');
var utils = {
  request() {
    console.log(config.api);
  }
};
module.exports = utils;
// main.js
var utils = require('./utils');
utils.request();
console.log(global.api)

执行node main.jshttps://github.com/ronffy被打印了出来。
在 main.js 中打印global.api,打印结果是undefined。node 用global管理全局变量,与浏览器的window类似。与浏览器不同的是,浏览器中顶层作用域是全局作用域,在顶层作用域中声明的变量都是全局变量,而 node 中顶层作用域不是全局作用域,所以在顶层作用域中声明的变量非全局变量。

module.exports和exports

我们在看 node 代码时,应该会发现,关于接口导出,有的地方使用module.exports,而有的地方使用exports,这两个有什么区别呢?

CommonJS 规范仅定义了exports,但exports存在一些问题(下面会说到),所以module.exports被创造了出来,它被称为 CommonJS2 。
每一个文件都是一个模块,每个模块都有一个module对象,这个module对象的exports属性用来导出接口,外部模块导入当前模块时,使用的也是module对象,这些都是 node 基于 CommonJS2 规范做的处理。

// a.js
var s = 'i am ronffy'
module.exports = s;
console.log(module);

执行node a.js,看看打印的module对象:

{
  exports: 'i am ronffy',
  id: '.',                                // 模块id
  filename: '/Users/apple/Desktop/a.js',  // 文件路径名称
  loaded: false,                          // 模块是否加载完成
  parent: null,                           // 父级模块
  children: [],                           // 子级模块
  paths: [ /* ... */ ],                   // 执行 node a.js 后 node 搜索模块的路径
}

其他模块导入该模块时:

// b.js
var a = require('./a.js'); // a --> i am ronffy

当在 a.js 里这样写时:

// a.js
var s = 'i am ronffy'
exports = s;

a.js 模块的module.exports是一个空对象。

// b.js
var a = require('./a.js'); // a --> {}

module.exportsexports放到“明面”上来写,可能就更清楚了:

var module = {
  exports: {}
}
var exports = module.exports;
console.log(module.exports === exports); // true

var s = 'i am ronffy'
exports = s; // module.exports 不受影响
console.log(module.exports === exports); // false

模块初始化时,exportsmodule.exports指向同一块内存,exports被重新赋值后,就切断了跟原内存地址的关系。

所以,exports要这样使用:

// a.js
exports.s = 'i am ronffy';

// b.js
var a = require('./a.js');
console.log(a.s); // i am ronffy

CommonJS 和 CommonJS2 经常被混淆概念,一般大家经常提到的 CommonJS 其实是指 CommonJS2,本文也是如此,不过不管怎样,大家知晓它们的区别和如何应用就好。

CommonJS与AMD

CommonJS 和 AMD 都是运行时加载,换言之:都是在运行时确定模块之间的依赖关系。

二者有何不同点:

  1. CommonJS 是服务器端模块规范,AMD 是浏览器端模块规范。
  2. CommonJS 加载模块是同步的,即执行var a = require('./a.js');时,在 a.js 文件加载完成后,才执行后面的代码。AMD 加载模块是异步的,所有依赖加载完成后以回调函数的形式执行代码。
  3. [如下代码]fschalk都是模块,不同的是,fs是 node 内置模块,chalk是一个 npm 包。这两种情况在 CommonJS 中才有,AMD 不支持。
var fs = require('fs');
var chalk = require('chalk');

UMD

Universal Module Definition.

存在这么多模块规范,如果产出一个模块给其他人用,希望支持全局变量的形式,也符合 AMD 规范,还能符合 CommonJS 规范,能这么全能吗?
是的,可以如此全能,UMD 闪亮登场。

UMD 是一种通用模块定义规范,代码大概这样(假如我们的模块名称是 myLibName):

!function (root, factory) {
  if (typeof exports === 'object' && typeof module === 'object') {
    // CommonJS2
    module.exports = factory()
    // define.amd 用来判断项目是否应用 require.js。
    // 更多 define.amd 介绍,请[查看文档](https://github.com/amdjs/amdjs-api/wiki/AMD#defineamd-property-)
  } else if (typeof define === 'function' && define.amd) {
    // AMD
    define([], factory)
  } else if (typeof exports === 'object') {
    // CommonJS
    exports.myLibName = factory()
  } else {
    // 全局变量
    root.myLibName = factory()
  }
}(window, function () {
  // 模块初始化要执行的代码
});

UMD 解决了 JS 模块跨模块规范、跨平台使用的问题,它是非常好的解决方案。

ES6 module

AMD 、 CMD 等都是在原有JS语法的基础上二次封装的一些方法来解决模块化的方案,ES6 module(在很多地方被简写为 ESM)是语言层面的规范,ES6 module 旨在为浏览器和服务器提供通用的模块解决方案。长远来看,未来无论是基于 JS 的 WEB 端,还是基于 node 的服务器端或桌面应用,模块规范都会统一使用 ES6 module。

兼容性

目前,无论是浏览器端还是 node ,都没有完全原生支持 ES6 module,如果使用 ES6 module ,可借助 babel 等编译器。本文只讨论 ES6 module 语法,故不对 babel 或 typescript 等可编译 ES6 的方式展开讨论。

导出接口

CommonJS 中顶层作用域不是全局作用域,同样的,ES6 module 中,一个文件就是一个模块,文件的顶层作用域也不是全局作用域。导出接口使用export关键字,导入接口使用import关键字。

export导出接口有以下方式:

方式1

export const prefix = 'https://github.com';
export const api = `${prefix}/ronffy`;

方式2

const prefix = 'https://github.com';
const api = `${prefix}/ronffy`;
export {
  prefix,
  api,
}

方式1和方式2只是写法不同,结果是一样的,都是把prefixapi分别导出。

方式3(默认导出)

// foo.js
export default function foo() {}

// 等同于:
function foo() {}
export {
  foo as default
}

export default用来导出模块默认的接口,它等同于导出一个名为default的接口。配合export使用的as关键字用来在导出接口时为接口重命名。

方式4(先导入再导出简写)

export { api } from './config.js';

// 等同于:
import { api } from './config.js';
export {
  api
}

如果需要在一个模块中先导入一个接口,再导出,可以使用export ... from 'module'这样的简便写法。

导入模块接口

ES6 module 使用import导入模块接口。

导出接口的模块代码1:

// config.js
const prefix = 'https://github.com';
const api = `${prefix}/ronffy`;
export {
  prefix,
  api,
}

接口已经导出,如何导入呢:

方式1

import { api } from './config.js';

// or
// 配合`import`使用的`as`关键字用来为导入的接口重命名。
import { api as myApi } from './config.js';

方式2(整体导入)

import * as config from './config.js';
const api = config.api;

将 config.js 模块导出的所有接口都挂载在config对象上。

方式3(默认导出的导入)

// foo.js
export const conut = 0;
export default function myFoo() {}
// index.js
// 默认导入的接口此处刻意命名为cusFoo,旨在说明该命名可完全自定义。
import cusFoo, { count } from './foo.js';

// 等同于:
import { default as cusFoo, count } from './foo.js';

export default导出的接口,可以使用import name from 'module'导入。这种方式,使导入默认接口很便捷。

方式4(整体加载)

import './config.js';

这样会加载整个 config.js 模块,但未导入该模块的任何接口。

方式5(动态加载模块)

上面介绍了 ES6 module 各种导入接口的方式,但有一种场景未被涵盖:动态加载模块。比如用户点击某个按钮后才弹出弹窗,弹窗里功能涉及的模块的代码量比较重,所以这些相关模块如果在页面初始化时就加载,实在浪费资源,import()可以解决这个问题,从语言层面实现模块代码的按需加载。

ES6 module 在处理以上几种导入模块接口的方式时都是编译时处理,所以importexport命令只能用在模块的顶层,以下方式都会报错:

// 报错
if (/* ... */) {
  import { api } from './config.js'; 
}

// 报错
function foo() {
  import { api } from './config.js'; 
}

// 报错
const modulePath = './utils' + '/api.js';
import modulePath;

使用import()实现按需加载:

function foo() {
  import('./config.js')
    .then(({ api }) => {

    });
}

const modulePath = './utils' + '/api.js';
import(modulePath);

特别说明:
该功能的提议目前处于 TC39 流程的第4阶段。更多说明,请查看TC39/proposal-dynamic-import

CommonJS 和 ES6 module

CommonJS 和 AMD 是运行时加载,在运行时确定模块的依赖关系。
ES6 module 是在编译时(import()是运行时加载)处理模块依赖关系,。

CommonJS

CommonJS 在导入模块时,会加载该模块,所谓“CommonJS 是运行时加载”,正因代码在运行完成后生成module.exports的缘故。当然,CommonJS 对模块做了缓存处理,某个模块即使被多次多处导入,也只加载一次。

// o.js
let num = 0;
function getNum() {
  return num;
}
function setNum(n) {
  num = n;
}
console.log('o init');
module.exports = {
  num,
  getNum,
  setNum,
}
// a.js
const o = require('./o.js');
o.setNum(1);
// b.js
const o = require('./o.js');
// 注意:此处只是演示,项目里不要这样修改模块
o.num = 2;
// main.js
const o = require('./o.js');

require('./a.js');
console.log('a o.num:', o.num);

require('./b.js');
console.log('b o.num:', o.num);
console.log('b o.getNum:', o.getNum());

命令行执行node main.js,打印结果如下:

  1. o init
    模块即使被其他多个模块导入,也只会加载一次,并且在代码运行完成后将接口赋值到module.exports属性上。
  2. a o.num: 0
    模块在加载完成后,模块内部的变量变化不会反应到模块的module.exports
  3. b o.num: 2
    对导入模块的直接修改会反应到该模块的module.exports
  4. b o.getNum: 1
    模块在加载完成后即形成一个闭包。

ES6 module

// o.js
let num = 0;
function getNum() {
  return num;
}
function setNum(n) {
  num = n;
}
console.log('o init');
export {
  num,
  getNum,
  setNum,
}
// main.js
import { num, getNum, setNum } from './o.js';

console.log('o.num:', num);
setNum(1);

console.log('o.num:', num);
console.log('o.getNum:', getNum());

我们增加一个 index.js 用于在 node 端支持 ES6 module:

// index.js
require("@babel/register")({
  presets: ["@babel/preset-env"]
});

module.exports = require('./main.js')

命令行执行npm install @babel/core @babel/register @babel/preset-env -D安装 ES6 相关 npm 包。

命令行执行node index.js,打印结果如下:

  1. o init
    模块即使被其他多个模块导入,也只会加载一次。
  2. o.num: 0
  3. o.num: 1
    编译时确定模块依赖的 ES6 module,通过import导入的接口只是值的引用,所以num才会有两次不同打印结果。
  4. o.getNum: 1

对于打印结果3,知晓其结果,在项目中注意这一点就好。这块会涉及到“Module Records(模块记录)”、“module instance(模快实例)” “linking(链接)”等诸多概念和原理,大家可查看ES modules: A cartoon deep-dive进行深入的研究,本文不再展开。

ES6 module 是编译时加载(或叫做“静态加载”),利用这一点,可以对代码做很多之前无法完成的优化:

  1. 在开发阶段就可以做导入和导出模块相关的代码检查。
  2. 结合 Webpack、Babel 等工具可以在打包阶段移除上下文中未引用的代码(dead-code),这种技术被称作“tree shaking”,可以极大的减小代码体积、缩短程序运行时间、提升程序性能。

后记

大家在日常开发中都在使用 CommonJS 和 ES6 module,但很多人只知其然而不知其所以然,甚至很多人对 AMD、CMD、IIFE 等概览还比较陌生,希望通过本篇文章,大家对 JS 模块化之路能够有清晰完整的认识。
JS 模块化之路目前趋于稳定,但肯定不会止步于此,让我们一起学习,一起进步,一起见证,也希望能有机会为未来的模块化规范贡献自己的一点力量。
本人能力有限,文中可能难免有一些谬误,欢迎大家帮助改进,文章github地址,我是小贼先生。

参考

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