CommonJs详解

1 概述

Node 应用由模块组成，采用 CommonJS 模块规范。

每个文件就是一个模块，有自己的作用域。在一个文件里面定义的变量、函数、类，都是私有的，对其他文件不可见。

function Module(id, parent) {
  this.id = id;
  this.exports = {};
  this.parent = parent;
  // ...

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。

2 module对象

下面是一个示例文件，最后一行输出module变量。

// example.js
var jquery = require('jquery');
exports.$ = jquery;
console.log(module);

执行这个文件，命令行会输出如下信息。

{ id: '.',
  exports: { '$': [Function] },
  parent: null,
  filename: '/path/to/example.js',
  loaded: false,
  children:
   [ { id: '/path/to/node_modules/jquery/dist/jquery.js',
       exports: [Function],
       parent: [Circular],
       filename: '/path/to/node_modules/jquery/dist/jquery.js',
       loaded: true,
       children: [],
       paths: [Object] } ],
  paths:
   [ '/home/user/deleted/node_modules',
     '/home/user/node_modules',
     '/home/node_modules',
     '/node_modules' ]
}

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。

if (!module.parent) {
    // ran with `node something.js`
    app.listen(8088, function() {
        console.log('app listening on port 8088');
    })
} else {
    // used with `require('/.something.js')`
    module.exports = app;
}

2.1 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。

var EventEmitter = require('events').EventEmitter;
module.exports = new EventEmitter();

setTimeout(function() {
  module.exports.emit('ready');
}, 1000);

上面模块会在加载后1秒后，发出ready事件。其他文件监听该事件，可以写成下面这样。

var a = require('./a');
a.on('ready', function() {
  console.log('module a is ready');
});

2.2 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;

造成的结果是，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。

module.exports = function (x){ console.log(x);};

如果你觉得，exports与module.exports之间的区别很难分清，一个简单的处理方法，就是放弃使用exports，只使用module.exports。

3 AMD规范与CommonJS规范的兼容性

CommonJS规范加载模块是同步的，也就是说，只有加载完成，才能执行后面的操作。AMD规范则是非同步加载模块，允许指定回调函数。由于Node.js主要用于服务器编程，模块文件一般都已经存在于本地硬盘，所以加载起来比较快，不用考虑非同步加载的方式，所以CommonJS规范比较适用。但是，如果是浏览器环境，要从服务器端加载模块，这时就必须采用非同步模式，因此浏览器端一般采用AMD规范。

AMD规范使用define方法定义模块，下面就是一个例子：

define(['package/lib'], function(lib){
  function foo(){
    lib.log('hello world!');
  }

  return {
    foo: foo
  };
});

AMD规范允许输出的模块兼容CommonJS规范，这时define方法需要写成下面这样：

define(function (require, exports, module){
  var someModule = require("someModule");
  var anotherModule = require("anotherModule");

  someModule.doTehAwesome();
  anotherModule.doMoarAwesome();

  exports.asplode = function (){
    someModule.doTehAwesome();
    anotherModule.doMoarAwesome();
  };
});

4 require命令

4.1 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。

4.2 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）。

举例来说，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。

4.3 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。下面是一个例子。

// 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。

4.4 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
// "hello"

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。

4.5 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。

4.6 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。

4.7 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。

5 模块的加载机制

CommonJS模块的加载机制是，输入的是被输出的值的拷贝。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。请看下面这个例子。

下面是一个模块文件lib.js。

// 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，加载上面的模块。

// main.js
var counter = require('./lib').counter;
var incCounter = require('./lib').incCounter;

console.log(counter);  // 3
incCounter();
console.log(counter); // 3

上面代码说明，counter输出以后，lib.js模块内部的变化就影响不到counter了。

5.1 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。

(function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
  // YOUR CODE INJECTED HERE!
});

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。