Online Es6 tutorial

Online ECMAScript 6.0 Getting Started Manual

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deferasync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。

deferasync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"<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.jslib.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objconst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.jsy.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:mainexports。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.jsonmain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.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///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bb依赖cc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.mjsb.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
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