Module 的加载实现

上一章介绍了模块的语法，本章介绍如何在浏览器和 Node.js 之中加载 ES6 模块，以及实际开发中经常遇到的一些问题（比如循环加载）。

浏览器加载

传统方法

HTML 网页中，浏览器通过<script>标签加载 JavaScript 脚本。

<!-- 页面内嵌的脚本 -->
<script type="application/javascript">
  // module code
</script>

<!-- 外部脚本 -->
<script type="application/javascript" src="path/to/myModule.js">
</script>

上面代码中，由于浏览器脚本的默认语言是 JavaScript，因此type="application/javascript"可以省略。

默认情况下，浏览器是同步加载 JavaScript 脚本，即渲染引擎遇到<script>标签就会停下来，等到执行完脚本，再继续向下渲染。如果是外部脚本，还必须加入脚本下载的时间。

如果脚本体积很大，下载和执行的时间就会很长，因此造成浏览器堵塞，用户会感觉到浏览器“卡死”了，没有任何响应。这显然是很不好的体验，所以浏览器允许脚本异步加载，下面就是两种异步加载的语法。

<script src="path/to/myModule.js" defer></script>
<script src="path/to/myModule.js" async></script>

上面代码中，<script>标签打开defer或async属性，脚本就会异步加载。渲染引擎遇到这一行命令，就会开始下载外部脚本，但不会等它下载和执行，而是直接执行后面的命令。

defer与async的区别是：defer要等到整个页面在内存中正常渲染结束（DOM 结构完全生成，以及其他脚本执行完成），才会执行；async一旦下载完，渲染引擎就会中断渲染，执行这个脚本以后，再继续渲染。一句话，defer是“渲染完再执行”，async是“下载完就执行”。另外，如果有多个defer脚本，会按照它们在页面出现的顺序加载，而多个async脚本是不能保证加载顺序的。

加载规则

浏览器加载 ES6 模块，也使用<script>标签，但是要加入type="module"属性。

<script type="module" src="./foo.js"></script>

上面代码在网页中插入一个模块foo.js，由于type属性设为module，所以浏览器知道这是一个 ES6 模块。

浏览器对于带有type="module"的<script>，都是异步加载，不会造成堵塞浏览器，即等到整个页面渲染完，再执行模块脚本，等同于打开了<script>标签的defer属性。

<script type="module" src="./foo.js"></script>
<!-- 等同于 -->
<script type="module" src="./foo.js" defer></script>

如果网页有多个<script type="module">，它们会按照在页面出现的顺序依次执行。

<script>标签的async属性也可以打开，这时只要加载完成，渲染引擎就会中断渲染立即执行。执行完成后，再恢复渲染。

<script type="module" src="./foo.js" async></script>

一旦使用了async属性，<script type="module">就不会按照在页面出现的顺序执行，而是只要该模块加载完成，就执行该模块。

ES6 模块也允许内嵌在网页中，语法行为与加载外部脚本完全一致。

<script type="module">
  import utils from "./utils.js";
  // other code
</script>

举例来说，jQuery 就支持模块加载。

<script type="module">
  import $ from "./jquery/src/jquery.js";
  $('#message').text('Hi from jQuery!');
</script>

对于外部的模块脚本（上例是foo.js），有几点需要注意。

• 代码是在模块作用域之中运行，而不是在全局作用域运行。模块内部的顶层变量，外部不可见。
• 模块脚本自动采用严格模式，不管有没有声明use strict。
• 模块之中，可以使用import命令加载其他模块（.js后缀不可省略，需要提供绝对 URL 或相对 URL），也可以使用export命令输出对外接口。
• 模块之中，顶层的this关键字返回undefined，而不是指向window。也就是说，在模块顶层使用this关键字，是无意义的。
• 同一个模块如果加载多次，将只执行一次。

下面是一个示例模块。

import utils from 'https://example.com/js/utils.js';
const x = 1;
console.log(x === window.x); //false
console.log(this === undefined); // true

利用顶层的this等于undefined这个语法点，可以侦测当前代码是否在 ES6 模块之中。

const isNotModuleScript = this !== undefined;

ES6 模块与 CommonJS 模块的差异

讨论 Node.js 加载 ES6 模块之前，必须了解 ES6 模块与 CommonJS 模块完全不同。

它们有两个重大差异。

• CommonJS 模块输出的是一个值的拷贝，ES6 模块输出的是值的引用。
• CommonJS 模块是运行时加载，ES6 模块是编译时输出接口。

第二个差异是因为 CommonJS 加载的是一个对象（即module.exports属性），该对象只有在脚本运行完才会生成。而 ES6 模块不是对象，它的对外接口只是一种静态定义，在代码静态解析阶段就会生成。

下面重点解释第一个差异。

CommonJS 模块输出的是值的拷贝，也就是说，一旦输出一个值，模块内部的变化就影响不到这个值。请看下面这个模块文件lib.js的例子。

// lib.js
var counter = 3;
function incCounter() {
  counter++;
}
module.exports = {
  counter: counter,
  incCounter: incCounter,
};

上面代码输出内部变量counter和改写这个变量的内部方法incCounter。然后，在main.js里面加载这个模块。

// main.js
var mod = require('./lib');
console.log(mod.counter);  // 3
mod.incCounter();
console.log(mod.counter); // 3

上面代码说明，lib.js模块加载以后，它的内部变化就影响不到输出的mod.counter了。这是因为mod.counter是一个原始类型的值，会被缓存。除非写成一个函数，才能得到内部变动后的值。

// lib.js
var counter = 3;
function incCounter() {
  counter++;
}
module.exports = {
  get counter() {
    return counter
  },
  incCounter: incCounter,
};

上面代码中，输出的counter属性实际上是一个取值器函数。现在再执行main.js，就可以正确读取内部变量counter的变动了。

$ node main.js
3
4

ES6 模块的运行机制与 CommonJS 不一样。JS 引擎对脚本静态分析的时候，遇到模块加载命令import，就会生成一个只读引用。等到脚本真正执行时，再根据这个只读引用，到被加载的那个模块里面去取值。换句话说，ES6 的import有点像 Unix 系统的“符号连接”，原始值变了，import加载的值也会跟着变。因此，ES6 模块是动态引用，并且不会缓存值，模块里面的变量绑定其所在的模块。

还是举上面的例子。

// lib.js
export let counter = 3;
export function incCounter() {
  counter++;
}
// main.js
import { counter, incCounter } from './lib';
console.log(counter); // 3
incCounter();
console.log(counter); // 4

上面代码说明，ES6 模块输入的变量counter是活的，完全反应其所在模块lib.js内部的变化。

再举一个出现在export一节中的例子。

// m1.js
export var foo = 'bar';
setTimeout(() => foo = 'baz', 500);
// m2.js
import {foo} from './m1.js';
console.log(foo);
setTimeout(() => console.log(foo), 500);

上面代码中，m1.js的变量foo，在刚加载时等于bar，过了 500 毫秒，又变为等于baz。

让我们看看，m2.js能否正确读取这个变化。

$ babel-node m2.js
bar
baz

上面代码表明，ES6 模块不会缓存运行结果，而是动态地去被加载的模块取值，并且变量总是绑定其所在的模块。

由于 ES6 输入的模块变量，只是一个“符号连接”，所以这个变量是只读的，对它进行重新赋值会报错。

// lib.js
export let obj = {};
// main.js
import { obj } from './lib';
obj.prop = 123; // OK
obj = {}; // TypeError

上面代码中，main.js从lib.js输入变量obj，可以对obj添加属性，但是重新赋值就会报错。因为变量obj指向的地址是只读的，不能重新赋值，这就好比main.js创造了一个名为obj的const变量。

最后，export通过接口，输出的是同一个值。不同的脚本加载这个接口，得到的都是同样的实例。

// mod.js
function C() {
  this.sum = 0;
  this.add = function () {
    this.sum += 1;
  };
  this.show = function () {
    console.log(this.sum);
  };
}
export let c = new C();

上面的脚本mod.js，输出的是一个C的实例。不同的脚本加载这个模块，得到的都是同一个实例。

// x.js
import {c} from './mod';
c.add();
// y.js
import {c} from './mod';
c.show();
// main.js
import './x';
import './y';

现在执行main.js，输出的是1。

$ babel-node main.js
1

这就证明了x.js和y.js加载的都是C的同一个实例。

Node.js 加载

概述

Node.js 对 ES6 模块的处理比较麻烦，因为它有自己的 CommonJS 模块格式，与 ES6 模块格式是不兼容的。目前的解决方案是，将两者分开，ES6 模块和 CommonJS 采用各自的加载方案。从 v13.2 版本开始，Node.js 已经默认打开了 ES6 模块支持。

Node.js 要求 ES6 模块采用.mjs后缀文件名。也就是说，只要脚本文件里面使用import或者export命令，那么就必须采用.mjs后缀名。Node.js 遇到.mjs文件，就认为它是 ES6 模块，默认启用严格模式，不必在每个模块文件顶部指定"use strict"。

如果不希望将后缀名改成.mjs，可以在项目的package.json文件中，指定type字段为module。

{
   "type": "module"
}

一旦设置了以后，该目录里面的 JS 脚本，就被解释用 ES6 模块。

# 解释成 ES6 模块
$ node my-app.js

如果这时还要使用 CommonJS 模块，那么需要将 CommonJS 脚本的后缀名都改成.cjs。如果没有type字段，或者type字段为commonjs，则.js脚本会被解释成 CommonJS 模块。

总结为一句话：.mjs文件总是以 ES6 模块加载，.cjs文件总是以 CommonJS 模块加载，.js文件的加载取决于package.json里面type字段的设置。

注意，ES6 模块与 CommonJS 模块尽量不要混用。require命令不能加载.mjs文件，会报错，只有import命令才可以加载.mjs文件。反过来，.mjs文件里面也不能使用require命令，必须使用import。

main 字段

package.json文件有两个字段可以指定模块的入口文件：main和exports。比较简单的模块，可以只使用main字段，指定模块加载的入口文件。

// ./node_modules/es-module-package/package.json
{
  "type": "module",
  "main": "./src/index.js"
}

上面代码指定项目的入口脚本为./src/index.js，它的格式为 ES6 模块。如果没有type字段，index.js就会被解释为 CommonJS 模块。

然后，import命令就可以加载这个模块。

// ./my-app.mjs
import { something } from 'es-module-package';
// 实际加载的是 ./node_modules/es-module-package/src/index.js

上面代码中，运行该脚本以后，Node.js 就会到./node_modules目录下面，寻找es-module-package模块，然后根据该模块package.json的main字段去执行入口文件。

这时，如果用 CommonJS 模块的require()命令去加载es-module-package模块会报错，因为 CommonJS 模块不能处理export命令。

exports 字段

exports字段的优先级高于main字段。它有多种用法。

（1）子目录别名

package.json文件的exports字段可以指定脚本或子目录的别名。

// ./node_modules/es-module-package/package.json
{
  "exports": {
    "./submodule": "./src/submodule.js"
  }
}

上面的代码指定src/submodule.js别名为submodule，然后就可以从别名加载这个文件。

import submodule from 'es-module-package/submodule';
// 加载 ./node_modules/es-module-package/src/submodule.js

下面是子目录别名的例子。

// ./node_modules/es-module-package/package.json
{
  "exports": {
    "./features/": "./src/features/"
  }
}
import feature from 'es-module-package/features/x.js';
// 加载 ./node_modules/es-module-package/src/features/x.js

如果没有指定别名，就不能用“模块+脚本名”这种形式加载脚本。

// 报错
import submodule from 'es-module-package/private-module.js';
// 不报错
import submodule from './node_modules/es-module-package/private-module.js';

（2）main 的别名

exports字段的别名如果是.，就代表模块的主入口，优先级高于main字段，并且可以直接简写成exports字段的值。

{
  "exports": {
    ".": "./main.js"
  }
}
// 等同于
{
  "exports": "./main.js"
}

由于exports字段只有支持 ES6 的 Node.js 才认识，所以可以用来兼容旧版本的 Node.js。

{
  "main": "./main-legacy.cjs",
  "exports": {
    ".": "./main-modern.cjs"
  }
}

上面代码中，老版本的 Node.js （不支持 ES6 模块）的入口文件是main-legacy.cjs，新版本的 Node.js 的入口文件是main-modern.cjs。

（3）条件加载

利用.这个别名，可以为 ES6 模块和 CommonJS 指定不同的入口。目前，这个功能需要在 Node.js 运行的时候，打开--experimental-conditional-exports标志。

{
  "type": "module",
  "exports": {
    ".": {
      "require": "./main.cjs",
      "default": "./main.js"
    }
  }
}

上面代码中，别名.的require条件指定require()命令的入口文件（即 CommonJS 的入口），default条件指定其他情况的入口（即 ES6 的入口）。

上面的写法可以简写如下。

{
  "exports": {
    "require": "./main.cjs",
    "default": "./main.js"
  }
}

注意，如果同时还有其他别名，就不能采用简写，否则或报错。

{
  // 报错
  "exports": {
    "./feature": "./lib/feature.js",
    "require": "./main.cjs",
    "default": "./main.js"
  }
}

ES6 模块加载 CommonJS 模块

目前，一个模块同时支持 ES6 和 CommonJS 两种格式的常见方法是，package.json文件的main字段指定 CommonJS 入口，给 Node.js 使用；module字段指定 ES6 模块入口，给打包工具使用，因为 Node.js 不认识module字段。

有了上一节的条件加载以后，Node.js 本身就可以同时处理两种模块。

// ./node_modules/pkg/package.json
{
  "type": "module",
  "main": "./index.cjs",
  "exports": {
    "require": "./index.cjs",
    "default": "./wrapper.mjs"
  }
}

上面代码指定了 CommonJS 入口文件index.cjs，下面是这个文件的代码。

// ./node_modules/pkg/index.cjs
exports.name = 'value';

然后，ES6 模块可以加载这个文件。

// ./node_modules/pkg/wrapper.mjs
import cjsModule from './index.cjs';
export const name = cjsModule.name;

注意，import命令加载 CommonJS 模块，只能整体加载，不能只加载单一的输出项。

// 正确
import packageMain from 'commonjs-package';
// 报错
import { method } from 'commonjs-package';

还有一种变通的加载方法，就是使用 Node.js 内置的module.createRequire()方法。

// cjs.cjs
module.exports = 'cjs';
// esm.mjs
import { createRequire } from 'module';
const require = createRequire(import.meta.url);
const cjs = require('./cjs.cjs');
cjs === 'cjs'; // true

上面代码中，ES6 模块通过module.createRequire()方法可以加载 CommonJS 模块

CommonJS 模块加载 ES6 模块

CommonJS 的require命令不能加载 ES6 模块，会报错，只能使用import()这个方法加载。

(async () => {
  await import('./my-app.mjs');
})();

上面代码可以在 CommonJS 模块中运行。

Node.js 的内置模块

Node.js 的内置模块可以整体加载，也可以加载指定的输出项。

// 整体加载
import EventEmitter from 'events';
const e = new EventEmitter();
// 加载指定的输出项
import { readFile } from 'fs';
readFile('./foo.txt', (err, source) => {
  if (err) {
    console.error(err);
  } else {
    console.log(source);
  }
});

加载路径

ES6 模块的加载路径必须给出脚本的完整路径，不能省略脚本的后缀名。import命令和package.json文件的main字段如果省略脚本的后缀名，会报错。

// ES6 模块中将报错
import { something } from './index';

为了与浏览器的import加载规则相同，Node.js 的.mjs文件支持 URL 路径。

import './foo.mjs?query=1'; // 加载 ./foo 传入参数 ?query=1

上面代码中，脚本路径带有参数?query=1，Node 会按 URL 规则解读。同一个脚本只要参数不同，就会被加载多次，并且保存成不同的缓存。由于这个原因，只要文件名中含有:、%、#、?等特殊字符，最好对这些字符进行转义。
目前，Node.js 的import命令只支持加载本地模块（file:协议）和data:协议，不支持加载远程模块。另外，脚本路径只支持相对路径，不支持绝对路径（即以/或//开头的路径）。
最后，Node 的import命令是异步加载，这一点与浏览器的处理方法相同。

内部变量

ES6 模块应该是通用的，同一个模块不用修改，就可以用在浏览器环境和服务器环境。为了达到这个目标，Node 规定 ES6 模块之中不能使用 CommonJS 模块的特有的一些内部变量。
首先，就是this关键字。ES6 模块之中，顶层的this指向undefined；CommonJS 模块的顶层this指向当前模块，这是两者的一个重大差异。
其次，以下这些顶层变量在 ES6 模块之中都是不存在的。

• arguments
• require
• module
• exports
• __filename
• __dirname

循环加载

“循环加载”（circular dependency）指的是，a脚本的执行依赖b脚本，而b脚本的执行又依赖a脚本。

// a.js
var b = require('b');
// b.js
var a = require('a');

通常，“循环加载”表示存在强耦合，如果处理不好，还可能导致递归加载，使得程序无法执行，因此应该避免出现。
但是实际上，这是很难避免的，尤其是依赖关系复杂的大项目，很容易出现a依赖b，b依赖c，c又依赖a这样的情况。这意味着，模块加载机制必须考虑“循环加载”的情况。
对于 JavaScript 语言来说，目前最常见的两种模块格式 CommonJS 和 ES6，处理“循环加载”的方法是不一样的，返回的结果也不一样。

CommonJS 模块的加载原理

介绍 ES6 如何处理“循环加载”之前，先介绍目前最流行的 CommonJS 模块格式的加载原理。
CommonJS 的一个模块，就是一个脚本文件。require命令第一次加载该脚本，就会执行整个脚本，然后在内存生成一个对象。

{
  id: '...',
  exports: { ... },
  loaded: true,
  ...
}

上面代码就是 Node 内部加载模块后生成的一个对象。该对象的id属性是模块名，exports属性是模块输出的各个接口，loaded属性是一个布尔值，表示该模块的脚本是否执行完毕。其他还有很多属性，这里都省略了。
以后需要用到这个模块的时候，就会到exports属性上面取值。即使再次执行require命令，也不会再次执行该模块，而是到缓存之中取值。也就是说，CommonJS 模块无论加载多少次，都只会在第一次加载时运行一次，以后再加载，就返回第一次运行的结果，除非手动清除系统缓存。

CommonJS 模块的循环加载

CommonJS 模块的重要特性是加载时执行，即脚本代码在require的时候，就会全部执行。一旦出现某个模块被"循环加载"，就只输出已经执行的部分，还未执行的部分不会输出。
让我们来看，Node 官方文档里面的例子。脚本文件a.js代码如下。

exports.done = false;
var b = require('./b.js');
console.log('在 a.js 之中，b.done = %j', b.done);
exports.done = true;
console.log('a.js 执行完毕');

上面代码之中，a.js脚本先输出一个done变量，然后加载另一个脚本文件b.js。注意，此时a.js代码就停在这里，等待b.js执行完毕，再往下执行。
再看b.js的代码。

exports.done = false;
var a = require('./a.js');
console.log('在 b.js 之中，a.done = %j', a.done);
exports.done = true;
console.log('b.js 执行完毕');

上面代码之中，b.js执行到第二行，就会去加载a.js，这时，就发生了“循环加载”。系统会去a.js模块对应对象的exports属性取值，可是因为a.js还没有执行完，从exports属性只能取回已经执行的部分，而不是最后的值。
a.js已经执行的部分，只有一行。

exports.done = false;

因此，对于b.js来说，它从a.js只输入一个变量done，值为false。
然后，b.js接着往下执行，等到全部执行完毕，再把执行权交还给a.js。于是，a.js接着往下执行，直到执行完毕。我们写一个脚本main.js，验证这个过程。

var a = require('./a.js');
var b = require('./b.js');
console.log('在 main.js 之中, a.done=%j, b.done=%j', a.done, b.done);

执行main.js，运行结果如下。

$ node main.js
在 b.js 之中，a.done = false
b.js 执行完毕
在 a.js 之中，b.done = true
a.js 执行完毕
在 main.js 之中, a.done=true, b.done=true

上面的代码证明了两件事。一是，在b.js之中，a.js没有执行完毕，只执行了第一行。二是，main.js执行到第二行时，不会再次执行b.js，而是输出缓存的b.js的执行结果，即它的第四行。

exports.done = true;

总之，CommonJS 输入的是被输出值的拷贝，不是引用。
另外，由于 CommonJS 模块遇到循环加载时，返回的是当前已经执行的部分的值，而不是代码全部执行后的值，两者可能会有差异。所以，输入变量的时候，必须非常小心。

var a = require('a'); // 安全的写法
var foo = require('a').foo; // 危险的写法
exports.good = function (arg) {
  return a.foo('good', arg); // 使用的是 a.foo 的最新值
};
exports.bad = function (arg) {
  return foo('bad', arg); // 使用的是一个部分加载时的值
};

上面代码中，如果发生循环加载，require('a').foo的值很可能后面会被改写，改用require('a')会更保险一点。

ES6 模块的循环加载

ES6 处理“循环加载”与 CommonJS 有本质的不同。ES6 模块是动态引用，如果使用import从一个模块加载变量（即import foo from 'foo'），那些变量不会被缓存，而是成为一个指向被加载模块的引用，需要开发者自己保证，真正取值的时候能够取到值。
请看下面这个例子。

// a.mjs
import {bar} from './b';
console.log('a.mjs');
console.log(bar);
export let foo = 'foo';
// b.mjs
import {foo} from './a';
console.log('b.mjs');
console.log(foo);
export let bar = 'bar';

上面代码中，a.mjs加载b.mjs，b.mjs又加载a.mjs，构成循环加载。执行a.mjs，结果如下。

$ node --experimental-modules a.mjs
b.mjs
ReferenceError: foo is not defined

上面代码中，执行a.mjs以后会报错，foo变量未定义，这是为什么？
让我们一行行来看，ES6 循环加载是怎么处理的。首先，执行a.mjs以后，引擎发现它加载了b.mjs，因此会优先执行b.mjs，然后再执行a.mjs。接着，执行b.mjs的时候，已知它从a.mjs输入了foo接口，这时不会去执行a.mjs，而是认为这个接口已经存在了，继续往下执行。执行到第三行console.log(foo)的时候，才发现这个接口根本没定义，因此报错。
解决这个问题的方法，就是让b.mjs运行的时候，foo已经有定义了。这可以通过将foo写成函数来解决。

// a.mjs
import {bar} from './b';
console.log('a.mjs');
console.log(bar());
function foo() { return 'foo' }
export {foo};
// b.mjs
import {foo} from './a';
console.log('b.mjs');
console.log(foo());
function bar() { return 'bar' }
export {bar};

这时再执行a.mjs就可以得到预期结果。

$ node --experimental-modules a.mjs
b.mjs
foo
a.mjs
bar

这是因为函数具有提升作用，在执行import {bar} from './b'时，函数foo就已经有定义了，所以b.mjs加载的时候不会报错。这也意味着，如果把函数foo改写成函数表达式，也会报错。

// a.mjs
import {bar} from './b';
console.log('a.mjs');
console.log(bar());
const foo = () => 'foo';
export {foo};

上面代码的第四行，改成了函数表达式，就不具有提升作用，执行就会报错。
我们再来看 ES6 模块加载器SystemJS给出的一个例子。

// even.js
import { odd } from './odd'
export var counter = 0;
export function even(n) {
  counter++;
  return n === 0 || odd(n - 1);
}
// odd.js
import { even } from './even';
export function odd(n) {
  return n !== 0 && even(n - 1);
}

上面代码中，even.js里面的函数even有一个参数n，只要不等于 0，就会减去 1，传入加载的odd()。odd.js也会做类似操作。
运行上面这段代码，结果如下。

$ babel-node
> import * as m from './even.js';
> m.even(10);
true
> m.counter
6
> m.even(20)
true
> m.counter
17

上面代码中，参数n从 10 变为 0 的过程中，even()一共会执行 6 次，所以变量counter等于 6。第二次调用even()时，参数n从 20 变为 0，even()一共会执行 11 次，加上前面的 6 次，所以变量counter等于 17。
这个例子要是改写成 CommonJS，就根本无法执行，会报错。

// even.js
var odd = require('./odd');
var counter = 0;
exports.counter = counter;
exports.even = function (n) {
  counter++;
  return n == 0 || odd(n - 1);
}
// odd.js
var even = require('./even').even;
module.exports = function (n) {
  return n != 0 && even(n - 1);
}

上面代码中，even.js加载odd.js，而odd.js又去加载even.js，形成“循环加载”。这时，执行引擎就会输出even.js已经执行的部分（不存在任何结果），所以在odd.js之中，变量even等于undefined，等到后面调用even(n - 1)就会报错。

$ node
> var m = require('./even');
> m.even(10)
TypeError: even is not a function