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Node.js中的模块机制学习笔记

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Javascript自诞生以来,曾经没有人拿它当做一门编程语言。在Web 1.0时代,这种脚本语言主要被用来做表单验证和网页特效。直到Web 2.0时代,前端工程师利用它大大提升了网页上的用户体验,JS才被广泛重视起来。在JS逐渐流行的过程中,它大致经历了工具类库、组件库、前端框架、前端应用的变迁。Javascript先天就缺乏一项功能:模块,而CommonJS规范的出现则弥补了这一缺陷。本文将介绍CommonJS规范及Node的模块机制。

在其他高级语言中,Java有类文件,Python有import机制,PHP有include和require。而JS通过<script>标签引入代码的方式显得杂乱无章。过去人们不得不用命名空间等方式来人为地约束代码,直到CommonJS规范的出现,前后端的Javascript才得以实现大一统。Node借鉴了CommonJS的Modules规范实现了一套非常易用的模块系统。

1. CommonJS模块规范

CommonJS的模块规范分为3个部分:

1).模块引用:通过require()方法并传入一个模块标识来引入一个模块的API到当前上下文中,如var math = require('math');
2).模块定义:通过exports对象来导出当前模块的方法或变量。模块中还存在一个module对象,exports实际上是module的属性。在Node中,一个文件就是一个模块,模块内的“全局变量”对外都不可见,只有挂载在exports上的属性才是公开的,如exports.add = function() {}; exports.PI = 3.1415926;
3).模块标识:实际上就是传递给require()的参数,如上述的'math',它必须是符合camel命名法的字符串,或者是以“.”“..”开头的相对路径或绝对路径,它可以没有文件名后缀“.js”

2. Node模块实现过程

在Node中,模块分为两类:一类是Node本身提供的核心模块,另一类是用户自己编写的文件模块。核心模块有一部分在Node源代码的编译过程中,编译成了二进制文件,在Node启动时核心模块就被直接加载进内存中,所以它的加载速度是最快的。文件模块则是在运行时动态加载,需要经历三个步骤:路径分析,文件定位,编译执行。注意,Node对引入过的模块都会进行缓存,以减少二次引入时的开销,并对相同模块的二次加载都采用最优先从缓存加载的策略。

2.1 路径分析

路径分析主要分析上述提到的模块标识符,主要分为以下几类:

1)、核心模块,如http、fs、path等
2)、.或..开始的相对路径文件模块
3)、以/开始的绝对路径文件模块
4)、自定义文件模块,可能是一个文件或包的形式。Node会根据模块路径数组module.paths来逐个尝试查找目标文件,通常是沿着当前目录逐级向上直到根目录查找名为node_modules的目录,所以这是查找最费时的一种方式。

2.2 文件定位

在路径分析的基础上,文件定位需要注意如下细节:

1)、文件扩展名分析:由于CommonJS规范允许模块标识不填写扩展名,Node会按.js、.json、.node的次序不足扩展名,依次尝试
2)、目录分析和包:若通过上述文件扩展名分析后没有查找到对应文件,却得到一个目录,Node会把目录当做一个包来处理

2.3 编译执行

定位到具体文件后,Node会新建一个模块对象,根据路径载入并编译。对于不同的扩展名,载入方法有所不同:

1)、.js文件:通过fs模块同步读取文件并编译执行
2)、.node文件:这是用C/C++编写的扩展文件,通过dlopen()方法加载
3)、.json文件:通过fs模块同步读取文件,用JSON.parse()解析返回结果
4)、其余扩展名文件:都被当做.js文件载入

我们知道每个模块文件中默认都存在着require、exports、module这3个变量,甚至在Node的API文档中,我们知道每个模块还有filename、dirname这2个变量的存在,它们是从何而来的呢?Node的模块又是怎么做到声明的“全局变量”实际上是不会污染到其他模块的?事实上,Node在编译JS模块过程中会对文件内容进行头尾包装。下面是一个JS文件经过头尾包装的例子:

复制代码 代码如下:

(function(exports, require, module, __filename, __dirname) {
    /* 中间是JS文件的实际内容 */
    var math = require('math');
    exports.area = function(radius) {
        return Math.PI * radius * radius;
    };
    /* JS文件的实际内容结束 */
});

这样每个模块文件之间都进行了作用域隔离,同时require、exports、module等变量也被注入到了模块的上下文当中。这就是Node对CommonJS模块规范的实现。关于C/C++模块及Node核心模块的编译过程较为复杂,不再赘述。

3. 模块调用栈

有必要明确一下Node中各种模块的调用关系,如下图所示:

C/C++内建模块是最底层的模块,属于核心模块,主要提供API给Javascript核心模块和第三方Javascript文件模块调用,实际中几乎不会接触到此类模块。Javascript核心模块主要职责有两种:一种是作为C/C++内建模块的封装层和桥接层供文件模块调用,另一种是纯粹的功能模块,不需要跟底层打交道。文件模块通常由第三方编写,包括普通Javascript模块和C/C++扩展模块。

4. 包与NPM

4.1 包结构

包本质上是一个存档文件(一般为.zip或.tar.gz),安装后解压还原为目录。CommonJS的包规范由包结构和包描述文件两部分组成。一个完全符合CommonJS规范的包结构应包含以下文件:

1).package.json:包描述文件
2).bin:存放可执行二进制文件的目录
3).lib:存放Javascript代码的目录
4).doc:存放文档的目录
5).test:存放单元测试用例的目录

4.2 包描述文件

包描述文件是一个JSON文件——package.json,位于包的根目录下,是包的重要组成部分,用于描述包的概况信息。后面要提到的NPM的所有行为都与这个文件的字段息息相关。下面将以知名Web框架express项目的package.json文件为例说明一些常用字段的含义。

1).name:包名
2).description:包简介
3).version:版本号,需遵照“语义化的版本控制”,参照http://semver.org/
4).dependencies:使用当前包所需要依赖的包列表。这个属性十分重要,NPM会通过这个属性自动加载依赖的包
5).repositories:托管源代码的位置列表

其余字段的用法可以参照NPM package.json说明

4.3 NPM常用功能

NPM(node package manager),通常称为node包管理器。它的主要功能就是管理node包,包括:安装、卸载、更新、查看、搜索、发布等。

4.3.1 NPM包安装

Node包的安装分两种:本地安装、全局安装。两者的区别如下:

1).本地安装npm install <package-name>:package会被下载到当前所在目录,也只能在当前目录下使用。
2).全局安装npm install -g <package-name>:package会被下载到到特定的系统目录下,安装的package能够在所有目录下使用。

4.3.2 NPM包管理

下面以grunt-cli(grunt命令行工具)为例,列出常用的包管理命令:

1).npm install:安装package.json文件的dependencies和devDependencies字段声明的所有包
2).npm install grunt-cli@0.1.9:安装特定版本的grunt-cli
3).npm install grunt-contrib-copy --save:安装grunt-contrib-copy,同时保存该依赖到package.json文件
4).npm uninstall grunt-cli:卸载包
5).npm list:查看安装了哪些包
6).npm publish <folder>:发布包

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