2009年,Node.js 项目诞生,所有模块一律为 CommonJS 格式。

时至今日,Node.js 的模块仓库 npmjs.com ,已经存放了15万个模块,其中绝大部分都是 CommonJS 格式。

这种格式的核心就是 require 语句,模块通过它加载。学习 Node.js ,必学如何使用 require 语句。本文通过源码分析,详细介绍 require 语句的内部运行机制,帮你理解 Node.js 的模块机制。

一、require() 的基本用法

分析源码之前,先介绍 require 语句的内部逻辑。如果你只想了解 require 的用法,只看这一段就够了。

下面的内容翻译自《Node使用手册》

当 Node 遇到 require(X) 时,按下面的顺序处理。

(1)如果 X 是内置模块(比如 require('http'))
a. 返回该模块。
b. 不再继续执行。

(2)如果 X 以 "./" 或者 "/" 或者 "../" 开头
a. 根据 X 所在的父模块,确定 X 的绝对路径。
b. 将 X 当成文件,依次查找下面文件,只要其中有一个存在,就返回该文件,不再继续执行。

  • > > X.json
  • > > X.node

c. 将 X 当成目录,依次查找下面文件,只要其中有一个存在,就返回该文件,不再继续执行。

  • > > X/package.json(main字段)
  • > > X/index.js
  • > > X/index.json
  • > > X/index.node

(3)如果 X 不带路径
a. 根据 X 所在的父模块,确定 X 可能的安装目录。
b. 依次在每个目录中,将 X 当成文件名或目录名加载。

(4) 抛出 "not found"

请看一个例子。

当前脚本文件 /home/ry/projects/foo.js 执行了 require('bar') ,这属于上面的第三种情况。Node 内部运行过程如下。

首先,确定 x 的绝对路径可能是下面这些位置,依次搜索每一个目录。

> 
/home/ry/projects/node_modules/bar
/home/ry/node_modules/bar
/home/node_modules/bar
/node_modules/bar

搜索时,Node 先将 bar 当成文件名,依次尝试加载下面这些文件,只要有一个成功就返回。

> 
bar
bar.js
bar.json
bar.node

如果都不成功,说明 bar 可能是目录名,于是依次尝试加载下面这些文件。

> 
bar/package.json(main字段)
bar/index.js
bar/index.json
bar/index.node

如果在所有目录中,都无法找到 bar 对应的文件或目录,就抛出一个错误。

二、Module 构造函数

了解内部逻辑以后,下面就来看源码。

require 的源码在 Node 的 lib/module.js 文件。为了便于理解,本文引用的源码是简化过的,并且删除了原作者的注释。

> 
function Module(id, parent) {
  this.id = id;
  this.exports = {};
  this.parent = parent;
  this.filename = null;
  this.loaded = false;
  this.children = [];
}

module.exports = Module;

var module = new Module(filename, parent);

上面代码中,Node 定义了一个构造函数 Module,所有的模块都是 Module 的实例。可以看到,当前模块(module.js)也是 Module 的一个实例。

每个实例都有自己的属性。下面通过一个例子,看看这些属性的值是什么。新建一个脚本文件 a.js 。

> 
// a.js

console.log('module.id: ', module.id);
console.log('module.exports: ', module.exports);
console.log('module.parent: ', module.parent);
console.log('module.filename: ', module.filename);
console.log('module.loaded: ', module.loaded);
console.log('module.children: ', module.children);
console.log('module.paths: ', module.paths);

运行这个脚本。

> 
$ node a.js

module.id:  .
module.exports:  {}
module.parent:  null
module.filename:  /home/ruanyf/tmp/a.js
module.loaded:  false
module.children:  []
module.paths:  [ '/home/ruanyf/tmp/node_modules',
  '/home/ruanyf/node_modules',
  '/home/node_modules',
  '/node_modules' ]

可以看到,如果没有父模块,直接调用当前模块,parent 属性就是 null,id 属性就是一个点。filename 属性是模块的绝对路径,path 属性是一个数组,包含了模块可能的位置。另外,输出这些内容时,模块还没有全部加载,所以 loaded 属性为 false 。

新建另一个脚本文件 b.js,让其调用 a.js 。

> 
// b.js

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

运行 b.js 。

> 
$ node b.js

module.id:  /home/ruanyf/tmp/a.js
module.exports:  {}
module.parent:  { object }
module.filename:  /home/ruanyf/tmp/a.js
module.loaded:  false
module.children:  []
module.paths:  [ '/home/ruanyf/tmp/node_modules',
  '/home/ruanyf/node_modules',
  '/home/node_modules',
  '/node_modules' ]

上面代码中,由于 a.js 被 b.js 调用,所以 parent 属性指向 b.js 模块,id 属性和 filename 属性一致,都是模块的绝对路径。

三、模块实例的 require 方法

每个模块实例都有一个 require 方法。

> 
Module.prototype.require = function(path) {
  return Module._load(path, this);
};

由此可知,require 并不是全局性命令,而是每个模块提供的一个内部方法,也就是说,只有在模块内部才能使用 require 命令(唯一的例外是 REPL 环境)。另外,require 其实内部调用 Module._load 方法。

下面来看 Module._load 的源码。

> 
Module._load = function(request, parent, isMain) {

  //  计算绝对路径
  var filename = Module._resolveFilename(request, parent);

  //  第一步:如果有缓存,取出缓存
  var cachedModule = Module._cache[filename];
  if (cachedModule) {
    return cachedModule.exports;

  // 第二步:是否为内置模块
  if (NativeModule.exists(filename)) {
    return NativeModule.require(filename);
  }

  // 第三步:生成模块实例,存入缓存
  var module = new Module(filename, parent);
  Module._cache[filename] = module;

  // 第四步:加载模块
  try {
    module.load(filename);
    hadException = false;
  } finally {
    if (hadException) {
      delete Module._cache[filename];
    }
  }

  // 第五步:输出模块的exports属性
  return module.exports;
};

上面代码中,首先解析出模块的绝对路径(filename),以它作为模块的识别符。然后,如果模块已经在缓存中,就从缓存取出;如果不在缓存中,就加载模块。

因此,Module._load 的关键步骤是两个。

  • > Module._resolveFilename() :确定模块的绝对路径
  • > module.load():加载模块

四、模块的绝对路径

下面是 Module._resolveFilename 方法的源码。

> 
Module._resolveFilename = function(request, parent) {

  // 第一步:如果是内置模块,不含路径返回
  if (NativeModule.exists(request)) {
    return request;
  }

  // 第二步:确定所有可能的路径
  var resolvedModule = Module._resolveLookupPaths(request, parent);
  var id = resolvedModule[0];
  var paths = resolvedModule[1];

  // 第三步:确定哪一个路径为真
  var filename = Module._findPath(request, paths);
  if (!filename) {
    var err = new Error("Cannot find module '" + request + "'");
    err.code = 'MODULE_NOT_FOUND';
    throw err;
  }
  return filename;
};

上面代码中,在 Module._resolveFilename 方法内部,又调用了两个方法 Module._resolveLookupPaths() 和 Module._findPath() ,前者用来列出可能的路径,后者用来确认哪一个路径为真。

为了简洁起见,这里只给出 Module._resolveLookupPaths() 的运行结果。

> 
[   '/home/ruanyf/tmp/node_modules',
    '/home/ruanyf/node_modules',
    '/home/node_modules',
    '/node_modules' 
    '/home/ruanyf/.node_modules',
    '/home/ruanyf/.node_libraries',
     '$Prefix/lib/node' ]

上面的数组,就是模块所有可能的路径。基本上是,从当前路径开始一级级向上寻找 node_modules 子目录。最后那三个路径,主要是为了历史原因保持兼容,实际上已经很少用了。

有了可能的路径以后,下面就是 Module._findPath() 的源码,用来确定到底哪一个是正确路径。

> 
Module._findPath = function(request, paths) {

  // 列出所有可能的后缀名:.js,.json, .node
  var exts = Object.keys(Module._extensions);

  // 如果是绝对路径,就不再搜索
  if (request.charAt(0) === '/') {
    paths = [''];
  }

  // 是否有后缀的目录斜杠
  var trailingSlash = (request.slice(-1) === '/');

  // 第一步:如果当前路径已在缓存中,就直接返回缓存
  var cacheKey = JSON.stringify({request: request, paths: paths});
  if (Module._pathCache[cacheKey]) {
    return Module._pathCache[cacheKey];
  }

  // 第二步:依次遍历所有路径
  for (var i = 0, PL = paths.length; i < PL; i++) {
    var basePath = path.resolve(paths[i], request);
    var filename;

    if (!trailingSlash) {
      // 第三步:是否存在该模块文件
      filename = tryFile(basePath);

      if (!filename && !trailingSlash) {
        // 第四步:该模块文件加上后缀名,是否存在
        filename = tryExtensions(basePath, exts);
      }
    }

    // 第五步:目录中是否存在 package.json 
    if (!filename) {
      filename = tryPackage(basePath, exts);
    }

    if (!filename) {
      // 第六步:是否存在目录名 + index + 后缀名 
      filename = tryExtensions(path.resolve(basePath, 'index'), exts);
    }

    // 第七步:将找到的文件路径存入返回缓存,然后返回
    if (filename) {
      Module._pathCache[cacheKey] = filename;
      return filename;
    }
  }

  // 第八步:没有找到文件,返回false 
  return false;
};

经过上面代码,就可以找到模块的绝对路径了。

有时在项目代码中,需要调用模块的绝对路径,那么除了 module.filename ,Node 还提供一个 require.resolve 方法,供外部调用,用于从模块名取到绝对路径。

> 
require.resolve = function(request) {
  return Module._resolveFilename(request, self);
};

// 用法
require.resolve('a.js')
// 返回 /home/ruanyf/tmp/a.js

五、加载模块

有了模块的绝对路径,就可以加载该模块了。下面是 module.load 方法的源码。

> 
Module.prototype.load = function(filename) {
  var extension = path.extname(filename) || '.js';
  if (!Module._extensions[extension]) extension = '.js';
  Module._extensions[extension](this, filename);
  this.loaded = true;
};

上面代码中,首先确定模块的后缀名,不同的后缀名对应不同的加载方法。下面是 .js 和 .json 后缀名对应的处理方法。

> 
Module._extensions['.js'] = function(module, filename) {
  var content = fs.readFileSync(filename, 'utf8');
  module._compile(stripBOM(content), filename);
};

Module._extensions['.json'] = function(module, filename) {
  var content = fs.readFileSync(filename, 'utf8');
  try {
    module.exports = JSON.parse(stripBOM(content));
  } catch (err) {
    err.message = filename + ': ' + err.message;
    throw err;
  }
};

这里只讨论 js 文件的加载。首先,将模块文件读取成字符串,然后剥离 utf8 编码特有的BOM文件头,最后编译该模块。

module._compile 方法用于模块的编译。

> 
Module.prototype._compile = function(content, filename) {
  var self = this;
  var args = [self.exports, require, self, filename, dirname];
  return compiledWrapper.apply(self.exports, args);
};

上面的代码基本等同于下面的形式。

> 
(function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
  // 模块源码
});

也就是说,模块的加载实质上就是,注入exports、require、module三个全局变量,然后执行模块的源码,然后将模块的 exports 变量的值输出。