Node.js模块化机制原理探究
Node应用是由模块组成的，Node遵循了CommonJS的模块规范，来隔离每个模块的作用域，使每个模块在它自身的命名空间中执行。
一、什么是CommonJS规范
CommonJS 是一套代码规范, 目的是为了构建 JavaScript 在浏览器之外的生态系统 (服务器端, 桌面端). JavaScript 诞生之初只是为了写网页小脚本, 并不作为开发大型复杂应用的语言, 其自身有很多不足. 并且, 官方规范 (ECMAScript) 制定的时间较早, 涵盖范围较小, 对于后端开发而言, 例如文件系统, I/O 流, 模块系统, 等等方面都没有相应的标准. 基于种种的不足, CommonJS 规范致力于弥补 JavaScript 没有标准的缺陷, 让 JavaScript 有能力去开发复杂应用, 同时具备跨平台能力.
二、CommonJS规范的主要内容
模块必须通过 module.exports 导出对外的变量或接口，通过 require() 来导入其他模块的输出到当前模块作用域中。
三、CommonJS模块的特点
1、所有代码运行在当前模块作用域中，不会污染全局作用域
2、模块同步加载，根据代码中出现的顺序依次加载
3、模块可以多次加载，但是只会在第一次加载时运行一次，然后运行结果就被缓存了，以后再加载，就直接读取缓存结果。要想让模块再次运行，必须清除缓存。
例如：
(1) 定义模块--demo.js
module.exports.name="Biden"
module.exports.age = 78
module.exports.getName=function(){
console.log('姓名：'+this.name);
}
module.exports.getAge=function(){
console.log('年龄：'+this.age)
}
（2）在app.js中引用模块
var person = require('./demo.js')
person.getAge()
person.getName()
四、module对象
Node内部提供一个Module构建函数。所有模块都是Module的实例。
每个模块内部，都有一个module对象，代表当前模块。它有以下属性。
- module.id： 模块的识别符，通常是带有绝对路径的模块文件名。
- module.filename： 模块的文件名，带有绝对路径。
- module.loaded： 返回一个布尔值，表示模块是否已经完成加载。
- module.parent：返回一个对象，表示调用该模块的模块。
- module.children： 返回一个数组，表示该模块要用到的其他模块。
- module.exports： 表示模块对外输出的值。
- module.paths：从当前文件目录开始查找node_modules目录；然后依次进入父目录，查找父目录下的node_modules目录；依次迭代，直到根目录下的node_modules目录
例如：
定义module.js
module.exports.name="Biden"
module.exports.age = 78
module.exports.getAge=function(){
console.log('姓名：'+this.name);
}
module.exports.getName=function(){
console.log('年龄：'+this.age)
}
console.log(module)
执行：node module.js，输出以下结果
如果在命令行下调用某个模块，比如node something.js，那么module.parent就是null。如果是在脚本之中调用，比如require('./something.js')，那么module.parent就是调用它的模块。利用这一点，可以判断当前模块是否为入口脚本。
1、module.exports属性
module.exports属性表示当前模块对外输出的接口，其他文件加载该模块，实际上就是读取module.exports变量。
2、exports变量
为了方便，Node为每个模块提供一个exports变量，指向module.exports。这等同在每个模块头部，有一行这样的命令。
var exports = module.exports;
这样的结果是，在对外输出模块接口时，可以向exports对象添加方法。
exports.area = function (r) {
return Math.PI * r * r;};
exports.circumference = function (r) {
return 2 * Math.PI * r;};
注意：不能直接将exports变量指向一个值，因为这样等于切断了exports与module.exports的联系。
exports = function(x) {console.log(x)};
上面这样的写法是无效的，因为exports不再指向module.exports了。
下面的写法也是无效的。
exports.hello = function() {
return 'hello';};
module.exports = 'Hello world';
上面代码中，hello函数是无法对外输出的，因为module.exports被重新赋值了。
这意味着，如果一个模块的对外接口，就是一个单一的值，不能使用exports输出，只能使用module.exports输出。
五、require命令
5.1、 基本用法
Node使用CommonJS模块规范，内置的require命令用于加载模块文件。
require命令的基本功能是，读入并执行一个JavaScript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。
// example.js
var invisible = function () {
console.log("invisible");}
exports.message = "hi";
exports.say = function () {
console.log(message);}
运行下面的命令，可以输出exports对象。
var example = require('./example.js');
example
// {
// message: "hi",
// say: [Function]
// }
如果模块输出的是一个函数，那就不能定义在exports对象上面，而要定义在module.exports变量上面。
module.exports = function () {
console.log("hello world")}
require('./example2.js')()
上面代码中，require命令调用自身，等于是执行module.exports，因此会输出 hello world。
5.2、加载规则
require命令用于加载文件，后缀名默认为.js。
var foo = require('foo');// 等同于var foo = require('foo.js');
根据参数的不同格式，require命令去不同路径寻找模块文件。
（1）如果参数字符串以“/”开头，则表示加载的是一个位于绝对路径的模块文件。比如，require('/home/marco/foo.js')将加载/home/marco/foo.js。
（2）如果参数字符串以“./”开头，则表示加载的是一个位于相对路径（跟当前执行脚本的位置相比）的模块文件。比如，require('./circle')将加载当前脚本同一目录的circle.js。
（3）如果参数字符串不以“./“或”/“开头，则表示加载的是一个默认提供的核心模块（位于Node的系统安装目录中），或者一个位于各级node_modules目录的已安装模块（全局安装或局部安装）。例如，脚本/home/user/projects/foo.js执行了require('bar.js')命令，Node会依次搜索以下文件。
- /usr/local/lib/node/bar.js
- /home/user/projects/node_modules/bar.js
- /home/user/node_modules/bar.js
- /home/node_modules/bar.js
- /node_modules/bar.js
这样设计的目的是，使得不同的模块可以将所依赖的模块本地化。
（4）如果参数字符串不以“./“或”/“开头，而且是一个路径，比如require('example-module/path/to/file')，则将先找到example-module的位置，然后再以它为参数，找到后续路径。
（5）如果指定的模块文件没有发现，Node会尝试为文件名添加.js、.json、.node后，再去搜索。.js件会以文本格式的JavaScript脚本文件解析，.json文件会以JSON格式的文本文件解析，.node文件会以编译后的二进制文件解析。
（6）如果想得到require命令加载的确切文件名，使用require.resolve()方法。
5.3、目录的加载规则
通常，我们会把相关的文件会放在一个目录里面，便于组织。这时，最好为该目录设置一个入口文件，让require方法可以通过这个入口文件，加载整个目录。在目录中放置一个package.json文件，并且将入口文件写入main字段。例如：
// package.json
{
"name" : "some-library",
"main" : "./lib/some-library.js"
}
require发现参数字符串指向一个目录以后，会自动查看该目录的package.json文件，然后加载main字段指定的入口文件。如果package.json文件没有main字段，或者根本就没有package.json文件，则会加载该目录下的index.js文件或index.node文件。
5.4、模块的缓存
第一次加载某个模块时，Node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。
require('./example.js');
require('./example.js').message = "hello";
require('./example.js').message
上面代码中，连续三次使用require命令，加载同一个模块。第二次加载的时候，为输出的对象添加了一个message属性。但是第三次加载的时候，这个message属性依然存在，这就证明require命令并没有重新加载模块文件，而是输出了缓存。
如果想要多次执行某个模块，可以让该模块输出一个函数，然后每次require这个模块的时候，重新执行一下输出的函数。所有缓存的模块保存在require.cache之中，如果想删除模块的缓存，可以像下面这样写。
// 删除指定模块的缓存
delete require.cache[moduleName];
// 删除所有模块的缓存Object.keys(require.cache).forEach(function(key) {
delete require.cache[key];})
注意，缓存是根据绝对路径识别模块的，如果同样的模块名，但是保存在不同的路径，require命令还是会重新加载该模块。
5.5、环境变量NODE_PATH
Node执行一个脚本时，会先查看环境变量NODE_PATH。它是一组以冒号分隔的绝对路径。在其他位置找不到指定模块时，Node会去这些路径查找。
可以将NODE_PATH添加到.bashrc。
export NODE_PATH="/usr/local/lib/node"
所以，如果遇到复杂的相对路径，比如下面这样。
var myModule = require('../../../../lib/myModule');
有两种解决方法，一是将该文件加入node_modules目录，二是修改NODE_PATH环境变量，package.json文件可以采用下面的写法。
{
"name": "node_path",
"version": "1.0.0",
"description": "",
"main": "index.js",
"scripts": {
"start": "NODE_PATH=lib node index.js"
},
"author": "",
"license": "ISC"}
NODE_PATH是历史遗留下来的一个路径解决方案，通常不应该使用，而应该使用node_modules目录机制。
5.6、模块的循环加载
如果发生模块的循环加载，即A加载B，B又加载A，则B将加载A的不完整版本。
// a.js
exports.x = 'a1';
console.log('a.js ', require('./b.js').x);
exports.x = 'a2';
// b.js
exports.x = 'b1';
console.log('b.js ', require('./a.js').x);
exports.x = 'b2';
// main.js
console.log('main.js ', require('./a.js').x);
console.log('main.js ', require('./b.js').x);
上面代码是三个JavaScript文件。其中，a.js加载了b.js，而b.js又加载a.js。这时，Node返回a.js的不完整版本，所以执行结果如下。
$ node main.js
b.js a1
a.js b2
main.js a2
main.js b2
修改main.js，再次加载a.js和b.js。
// main.js
console.log('main.js ', require('./a.js').x);
console.log('main.js ', require('./b.js').x);
console.log('main.js ', require('./a.js').x);
console.log('main.js ', require('./b.js').x);
执行上面代码，结果如下。
$ node main.js
b.js a1
a.js b2
main.js a2
main.js b2
main.js a2
main.js b2
上面代码中，第二次加载a.js和b.js时，会直接从缓存读取exports属性，所以a.js和b.js内部的console.log语句都不会执行了。
5.7、require.main
require方法有一个main属性，可以用来判断模块是直接执行，还是被调用执行。直接执行的时候（node module.js），require.main属性指向模块本身。
require.main === module // true
调用执行的时候（通过require加载该脚本执行），上面的表达式返回false。
六、模块的加载机制
6.1、require的内部处理流程
require命令是CommonJS规范之中，用来加载其他模块的命令。它其实不是一个全局命令，而是指向当前模块的module.require命令，而后者又调用Node的内部命令Module._load。
Module._load = function(request, parent, isMain) {
// 1. 检查 Module._cache，是否缓存之中有指定模块
// 2. 如果缓存之中没有，就创建一个新的Module实例
// 3. 将它保存到缓存
// 4. 使用 module.load() 加载指定的模块文件，
// 读取文件内容之后，使用 module.compile() 执行文件代码
// 5. 如果加载/解析过程报错，就从缓存删除该模块
// 6. 返回该模块的 module.exports};
上面的第4步，采用module.compile()执行指定模块的脚本，逻辑如下：
Module.prototype._compile = function(content, filename) {
// 1. 生成一个require函数，指向module.require
// 2. 加载其他辅助方法到require
// 3. 将文件内容放到一个函数之中，该函数可调用 require
// 4. 执行该函数};
上面的第1步和第2步，require函数及其辅助方法主要如下。
- require(): 加载外部模块
- require.resolve()：将模块名解析到一个绝对路径
- require.main：指向主模块
- require.cache：指向所有缓存的模块
- require.extensions：根据文件的后缀名，调用不同的执行函数
一旦require函数准备完毕，整个所要加载的脚本内容，就被放到一个新的函数之中，这样可以避免污染全局环境。该函数的参数包括require、module、exports，以及其他一些参数。
Module._compile方法是同步执行的，所以Module._load要等它执行完成，才会向用户返回module.exports的值。
