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ES6标准解读:Module的加载实现

es6
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本文节选自阮一峰撰写的《ES6标准入门(第3版)》一书,由电子工业出版社出版。
责编:陈秋歌,关注前端开发等领域,寻求报道或者投稿请发邮件至chenqg#csdn.net。

本文主要介绍如何在浏览器和Node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

在HTML网页中,浏览器通过

<!-- 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>

上面的代码中,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,浏览器同步加载JavaScript脚本,即渲染引擎遇到<script>标签就会停下来,等到脚本执行完毕再继续向下渲染。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>

上面的代码中,<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,前者要等到整个页面正常渲染结束才会执行,而后者一旦下载完成,渲染引擎就会中断渲染,执行这个脚本以后再继续渲染。用一句话来说,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,则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模块时也使用<script>标签,但是要加入type=”module”属性。

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

上面的代码在网页中插入了一个模块foo.js,由于type属性设为module,所以浏览器知道这是一个ES6模块。

对于带有type=”module”的<script>,浏览器都是异步加载的,不会造成浏览器堵塞,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>

<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>

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>

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中运行。模块内部的顶层变量是外部不可见的。
  • 模块脚本自动采用严格模式,无论有没有声明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。
  • 在模块之中,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

delete x;                           // 句法错误,严格模式禁止删除变量

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

const isNotModuleScript = this !== undefined;

ES6模块与CommonJS模块的差异

讨论Node加载ES6模块之前,必须了解ES6模块与CommonJS模块的差异,具体的两大差异如下。

  • CommonJS模块输出的是一个值的复制,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结束时才会生成。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模块输出的是值的复制,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,
};

上面的代码输出内部变量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

上面的代码说明,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,否则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,
};

上面的代码中,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模块中取值。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。

还是以上面的代码为例。

// 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

上面的代码说明,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);

上面的代码中,m1.js的变量foo在刚加载时是bar,过了500ms又变为baz。

来看一下m2.js能否正确读取这个变化。

$ babel-node m2.js

bar
baz

上面的代码表明,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

上面的代码中,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加载

概述

Node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。

在静态分析阶段,一个模块脚本只要有一行import或export语句,Node就会认为该脚本为ES6模块,否则就为CommonJS模块。如果不输出任何接口,但是希望被Node认为是ES6模块,可以在脚本中加上如下语句。

export {};

上面的命令并不是输出一个空对象,而是不输出任何接口的ES6标准写法。
如果不指定绝对路径,Node加载ES6模块会依次寻找以下脚本,与require()的规则一致。

import './foo';
// 依次寻找
//   ./foo.js
//   ./foo/package.json
//   ./foo/index.js

import 'baz';
// 依次寻找
//   ./node_modules/baz.js
//   ./node_modules/baz/package.json
//   ./node_modules/baz/index.js
// 寻找上一级目录
//   ../node_modules/baz.js
//   ../node_modules/baz/package.json
//   ../node_modules/baz/index.js
// 再上一级目录

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。

import命令加载CommonJS模块

Node采用CommonJS模块格式,模块的输出都定义在module.exports属性上面。在Node环境中,使用import命令加载CommonJS模块,Node会自动将module.exports属性当作模块的默认输出,即等同于export default。

下面是一个CommonJS模块。

// a.js
module.exports = {
  foo: 'hello',
  bar: 'world'
};

// 等同于
export default {
  foo: 'hello',
  bar: 'world'
};

import命令加载上面的模块,module.exports会被视为默认输出。

// 写法一
import baz from './a';
// baz = {foo: 'hello', bar: 'world'};

// 写法二
import {default as baz} from './a';
// baz = {foo: 'hello', bar: 'world'};

如果采用整体输入的写法(import * as xxx from someModule),default会取代module.exports作为输入的接口。

import * as baz from './a';
// baz = {
//   get default() {return module.exports;},
//   get foo() {return this.default.foo}.bind(baz),
//   get bar() {return this.default.bar}.bind(baz)
// }

上面的代码中,this.default取代了module.exports。需要注意的是,Node会自动为baz添加default属性,通过baz.default获取module.exports。

// b.js
module.exports = null;

// es.js
import foo from './b';
// foo = null;

import * as bar from './b';
// bar = {default:null};

上面的代码中,es.js采用第二种写法时,要通过bar.default这样的写法才能获取module.exports。

下面是另一个例子。

// c.js
module.exports = function two() {
  return 2;
};

// es.js
import foo from './c';
foo(); // 2

import * as bar from './c';
bar.default(); // 2
bar(); // throws, bar is not a function

上面的代码中,bar本身是一个对象,不能当作函数调用,只能通过bar.default调用。

CommonJS模块的输出缓存机制在ES6加载方式下依然有效。

// foo.js
module.exports = 123;
setTimeout(_ => module.exports = null);

上面的代码中,对于加载foo.js的脚本,module.exports将一直是123,而不会变成null。

由于ES6模块是编译时确定输出接口,CommonJS模块是运行时确定输出接口,所以采用import命令加载CommonJS模块时,不允许采用下面的写法。

import {readfile} from 'fs';

上面的写法不正确,因为fs是CommonJS格式,只有在运行时才能确定readfile接口,而import命令要求编译时就确定这个接口。解决方法就是改为整体输入。

import * as express from 'express';
const app = express.default();

import express from 'express';
const app = express();

require命令加载ES6模块
采用require命令加载ES6模块时,ES6模块的所有输出接口都会成为输入对象的属性。

// es.js
let foo = {bar:'my-default'};
export default foo;
foo = null;

// cjs.js
const es_namespace = require('./es');
console.log(es_namespace.default);
// {bar:'my-default'}

上面的代码中,default接口变成了es_namespace.default属性。另外,由于存在缓存机制,es.js对foo的重新赋值没有在模块外部反映出来。

下面是另一个例子。

// es.js
export let foo = {bar:'my-default'};
export {foo as bar};
export function f() {};
export class c {};

// cjs.js
const es_namespace = require('./es');
// es_namespace = {
//   get foo() {return foo;}
//   get bar() {return foo;}
//   get f() {return f;}
//   get c() {return c;}
// }

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,因此应该避免出现这种现象。

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中很容易出现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在处理“循环加载”时的方法是不一样的,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时就会执行整个脚本,然后在内存中生成一个对象。

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

上面的代码就是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时就会到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,以后再加载时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。

让我们来看一下Node官方文档(nodejs.org/api/modules.html#modules_cycles)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');

上面的代码之中,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');

上面的代码中,b.js执行到第二行就会加载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属性中取值,可是因为a.js还没有执行完,因此从exports属性中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以下一行。

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接着执行,直到执行完毕。下面,我们来写一个脚本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。第一,在b.js之中,a.js没有执行完毕,只执行了第一行。第二,reimain.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复制,而不是引用。

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
};

上面的代码中,如果发生循环加载,require(‘a’).foo的值很可能会被改写,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从一个模块中加载变量(即import foo from ‘foo’),那么,变量不会被缓存,而是成为一个指向被加载模块的引用,需要开发者保证在真正取值的时候能够取到值。

请看下面这个例子。

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

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

上面的代码中,a.js加载b.js,b.js又加载a.js,构成循环加载。执行a.js,结果如下。

$ babel-node a.js
b.js
undefined
a.js
Bar

上面的代码中,由于a.js的第一行是加载b.js,所以先执行的是b.js。而b.js的第一行又是加载a.js,这时由于a.js已经开始执行,所以不会重复执行,而是继续执行b.js,因此第一行输出的是b.js。

接着,b.js要打印变量foo,这时a.js还没有执行完,取不到foo的值,因此打印出来的是undefined。b.js执行完便会开始执行a.js,这时便会一切正常。

再来看一个稍微复杂的例子(摘自 Axel Rauschmayer 的Exploring ES6,具体内容请查看exploringjs.com/es6/ch_modules.html)。

// a.js
import {bar} from './b.js';
export function foo() {
  console.log('foo');
  bar();
  console.log('执行完毕');
}
foo();

// b.js
import {foo} from './a.js';
export function bar() {
  console.log('bar');
  if (Math.random() > 0.5) {
    foo();
  }
}

按照CommonJS规范,上面的代码是无法执行的。a先加载b,然后b又加载a,这时a还没有任何执行结果,所以输出结果为null,即对于b.js来说,变量foo的值等于null,后面的foo()就会报错。

但是,ES6可以执行上面的代码。

$ babel-node a.js
foo
bar
执行完毕

// 执行结果也有可能是
foo
bar
foo
bar
执行完毕
执行完毕

上面的代码中,a.js之所以能够执行,原因就在于ES6加载的变量都是动态引用其所在模块的。只要引用存在,代码就能执行。

下面,我们来详细分析这段代码的运行过程。

// a.js

// 这一行建立一个引用,
// 从`b.js`引用`bar`
import {bar} from './b.js';

export function foo() {
  // 执行时第一行输出foo
  console.log('foo');
  // 到 b.js 执行 bar
  bar();
  console.log('执行完毕');
}
foo();

// b.js

// 建立`a.js`的`foo`引用
import {foo} from './a.js';

export function bar() {
  // 执行时,第二行输出bar
  console.log('bar');
  // 递归执行foo,一旦随机数
  // 小于等于0.5,就停止执行
  if (Math.random() > 0.5) {
    foo();
  }
}

再来看ES6模块加载器SystemJS(github.com/ModuleLoader/es6-module-loader/blob/master/ docs/circular-references-bindings.md)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);
}

上面的代码中,even.js里面的函数even有一个参数n,只要该参数不等于0,结果就会减1,传入加载的odd()。odd.js也会进行类似操作。

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

上面的代码中,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,则会报错,根本无法执行。

// 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);
}

上面的代码中,even.js加载odd.js,而odd.js又加载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null,后面再调用even(n-1)就会报错。

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

ES6模块的转码

浏览器目前还不支持ES6模块,为了实现立刻使用,我们可以将其转为ES5的写法。除了Babel可以用来转码,还有以下两个方法也可以用来转码。

ES6 module transpiler

ES6 module transpiler(github.com/esnext/es6-module-transpiler)是square公司开源的一个转码器,可以将ES6模块转为CommonJS模块或AMD模块,从而在浏览器中使用。

首先,安装这个转码器。

$ npm install -g es6-module-transpiler

然后,使用compile-modules convert命令将ES6模块文件转码。

$ compile-modules convert file1.js file2.js```

-o参数可以指定转码后的文件名。

$ compile-modules convert -o out.js file1.js

SystemJS

第二种解决方法使用了SystemJS(github.com/systemjs/systemjs)。它是一个垫片库(polyfill),可以在浏览器内加载ES6模块、AMD模块和CommonJS模块,将其转为ES5格式。它在后台调用的是Google的Traceur转码器。

使用时,先在网页内载入system.js文件。

<script src="system.js"></script>

然后,使用System.import方法加载模块文件。

<script>
  System.import('./app.js');
</script>```

上面代码中的./app指的是当前目录下的app.js文件。它可以是ES6模块文件,System.import会自动将其转码。

需要注意的是,System.import使用异步加载,返回一个Promise对象,可以针对这个对象编程。下面是一个模块文件。

// app/es6-file.js:

export class q {
  constructor() {
    this.es6 = 'hello';
  }
}

然后,在网页内加载这个模块文件。

<script>

System.import('app/es6-file').then(function(m) {
  console.log(new m.q().es6); // hello
});

</script>

上面的代码中,System.import方法返回的是一个Promise对象,所以可以用then方法指定回调函数。

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