你需要了解的 Node.js 模块

Node 使用两个核心模块来管理模块依赖:

  • require 模块,在全局范围可用——无需 require(‘require’)。
  • module 模块,在全局范围可用——无需 require(‘module’)。

你可以将 require 模块视为命令,将 module 模块视为所有必需模块的组织者。

在 Node 中获取一个模块并不复杂。

由 require 模块导出的主要对象是一个函数(如上例所用)。 当 Node 使用本地文件路径作为函数的唯一参数调用该 require() 函数时,Node 将执行以下步骤:

  • 解析:找到文件的绝对路径。
  • 加载:确定文件内容的类型.
  • 封装:给文件其私有作用域。 这使得 require 和 module 对象两者都可以下载我们需要的每个文件。
  • 评估:这是 VM 对加载的代码最后需要做的。
  • 缓存:当我们再次需要这个文件时,不再重复所有的步骤。

在本文中,我将尝试用示例解释这些不同的阶段,以及它们是如何影响我们在 Node 中编写模块的方式的。

先在终端创建一个目录来保存所有示例:

本文之后所有命令都在 ~/learn-node 下运行。

解析本地路径

我现在向你介绍 module 对象。你可以在一个的 REPL(译者注:Read-Eval-Print-Loop,就是一般控制台干的事情)会话中很容易地看到它:

每个模块对象都有一个 id 属性作为标识。这个 id 通常是文件的完整路径,不过在 REPL 会话中,它只是 。

Node 模块与文件系统有着一对一的关系。请求模块就是把文件内容加载到内存中。

不过,因为 Node 中有很多方法用于请求文件(比如,使用相对路径,或预定义的路径),在我们把文件内容加载到内存之前,我们需要找到文件的绝对位置。

现在请求 ‘find-me’ 模块,但不指定路径:

Node 会按顺序在 module.paths 指定的路径中去寻找 find-me.js。

路径列表基本上会是从当前目录到根目录下的每一个 node_modules 目录。它也会包含一些不推荐使用的遗留目录。

如果 Node 在这些目录下仍然找不到 find-me.js,它会抛出 “cannot find module error.(不能找到模块)” 这个错误消息。

现在创建一个局部的 node_modules 目录,放入一个 find-me.js,require(‘find-me’) 就能找到它。

如果别的路径下存在另一个 find-me.js 文件,例如在 home 目录下存在 node_modules 目录,其中有一个不同的 find-me.js:

现在 learn-node 目录也包含 node_modules/find-me.js —— 在这个目录下 require(‘find-me’),那么 home 目录下的 find-me.js 根本不会被加载:

如果删除了~/learn-node 目录下的的 node_modules 目录,再次尝试请求 find-me.js,就会使用 home 目录下 node_modules 目录中的 find-me.js 了:

请求一个目录

模块不一定是文件。我们也可以在 node_modules 目录下创建一个 find-me 目录,并在其中放一个 index.js 文件。同样的 require(‘find-me’) 会使用这个目录下的 index.js 文件:

注意如果存在局部模块,home 下 node_modules 路径中的相应模块仍然会被忽略。

在请求一个目录的时候,默认会使用 index.js,不过我们可以通过 package.json 中的 main 选项来改变起始文件。比如,希望 require(‘find-me’) 在 find-me 目录下去使用另一个文件,只需要在那个目录下添加  package.json 文件来完成这个事情:

require.resolve

如果你只是想找到模块,并不想执行它,你可以使用 require.resolve 函数。除了不加载文件,它的行为与主函数 require 完全相同。如果文件不存在它会抛出错误,如果找到了指定的文件,它会返回完整路径。

这很有用,比如,检查一个可选的包是否安装并在它已安装的情况下使用它。

相对路径和绝对路径

除了在 node_modules 目录中查找模块之外,我们也可以把模块放置于任何位置,然后通过相对路径(./ 和 ../)请求,也可以通过以 / 开始的绝对路径请求。

比如,如果 find-me.js 是放在 lib 目录而不是 node_modules 目录下,可以这样请求:

文件中的父子关系

创建 lib/util.js 文件并添加一行 console.log 代码来识别它。console.log 会输出模块自身的 module 对象:

在 index.js 文件中干同样的事情,稍后我们会通过 node 命令执行这个文件。让 index.js 文件请求 lib/util.js:

现在用 node 执行 index.js:

注意到现在的列表中主模块 index (id: ‘.’) 是 lib/util 模块的父模块。不过 lib/util 模块并未作为 index 的子模块列出来。不过那里有个 [Circular] 值因为那里存在循环引用。如果 Node 打印 lib/util 模块对象,它就会陷入一个无限循环。因此这里用 [Circular] 代替了 lib/util 引用。

现在更重要的问题是,如果 lib/util 模块又请求了 index 模块,会发生什么事情?这就是我们需要了解的循环依赖,Node 允许这种情况存在。

在理解它之前,我们先来搞明白 module 对象中的另外一些概念。

exports、module.exports 以及同步加载模块

exports 是每个模块都有的一个特殊对象。如果你观察仔细,会发现上面示例中每次打印的模块对象中都存在一个 exports 属性,到目前为止它只是个空对象。我们可以给这个特殊的 exports 对象任意添加属性。例如,我们为 index.js 和 lib/util.js 导出 id 属性:

现在执行 index.js,我们会看到这些属性受到 module 对象管理:

上面的输出中我去掉了一些属性,这样看起来比较简洁,不过请注意 exports 对象已经包含了我们在每个模块中定义的属性。你可以在 exports 对象中任意添加属性,也可以直接把 exports 整个替换成另一个对象。比如,可以把 exports 对象变成一个函数,我们会这样做:

现在运行 index.js,你会看到 exports 对象是一个函数:

注意,我没有通过 exports = function() {} 来将 exports 对象改变为函数。这样做是不行的,因为模块中的 exports 变量只是 module.exports 的引用,它用于管理导出属性。如果我们重新给 exports 变量赋值,就会丢失对 module.exports 的引用,实际会产生一个新的变量,而不是改变了 module.exports。

每个模块中的 module.exports 对象就是通过 require 函数请求那个模块返回的。比如,把 index.js 中的 require(‘./lib/util’) 改为:

这段代码会输出 lib/util 导出到 UTIL 常量中的属性。现在运行 index.js,输出如下:

再来谈谈每个模块的 loaded 属性。到目前为止,每次我们打印一个模块对象的时候,都会看到这个对象的 loaded 属性值为 false。

module 模块使用 loaded 属性来跟踪哪些模块是加载过的(true值),以及哪些模块还在加载中(false 值)。比如我们可以通过调用 setImmediate 来打印 modules 对象,在下一事件循环中看看完成加载的 index.js 模块:

输出是这样的:

注意理解它是如何推迟 console.log,使其在 lib/util.js 和 index.js 加载完成之后再产生输出的。

Node 完成加载模块(并标记)之后 exports 对象就完成了。整个请求/加载某个模块的过程是同步的。因此我们可以在一个事件循环周期过后看到模块已经完成加载。

这也就是说,我们不能异步改变 exports 对象。比如在某个模块中干这样的事情:

循环依赖模块

现在来回答关于 Node 循环依赖模块这个重要的问题:如果模块1需要模块2,模块2也需要模块1,会发生什么事情?

为了观察结果,我们在 lib/ 下创建两个文件,module1.js 和 module2.js,它们相互请求对象:

运行 module1.js 可以看到:

我们在 module1 完全加载前请求了 module2,而 module2 在未完全加载时又请求了 module1,那么,在那一时刻,能得到的是在循环依赖之前导出的属性。只有 a 属性打印出来了,因为 b 和 c 是在请求了module2 并打印了 module1 之后才导出的。

Node 让这件事变得简单。在加载某个模块的时候,它会创建 exports 对象。你可以在一个模块加载完成之前请求它,但只会得到部分导出的对象,它只包含到目前为止已经定义的项。

JSON 和 C/C++ addon

我们可以利用 require 函数在本地引入 JSON 文件和 C++ addon 文件。这么做不需要指定文件扩展名。

如果没有指定文件扩展名,Node 首先要处理 .js 文件。如果找不到 .js 文件,就会尝试寻找 .json 文件,如果发现为 JSON 文本文件,便将其解析为 .json 文件。 之后,它将尝试找到一个二进制 .node 文件。为了消除歧义,当需要使用 .js 文件以外的其他格式后缀时,你需要制定一个文件扩展名。

引入 JSON 文件在某些情况下是很有用的,例如,当你在该文件中需要管理的所有内容都是些静态配置值时,或者你需要定期从某个外部源读入值时。假设我们有以下 config.json 文件:

我们可以像这样直接请求:

运行上面的代码,输出如下:

如果 Node 不能找到 .js 或 .json 文件,它会寻找 .node 文件,它会被认为是编译好的插件模块。

Node 文档中有一个插件文件示例,它是用 C++ 写的。它只是一个导出了 hello() 函数的简单模块,这个 hello 函数输出 “world”。

你可以使用 node-gyp 包来编译和构建 .cc 文件,生成 .addon 文件。只需要配置一个 binding.gyp 文件来告诉 node-gyp 做什么。

得到 addon.node (或其它在 binding.gyp 中指定的名称)文件后,你可以像请求其它模块一样请求它:

我们可以在 require.extensions 中看到实际支持的三个扩展名:

看看每个扩展名对应的函数,你就清楚 Node 在怎么使用它们。它使用 module._compile 处理 .js 文件,使用 JSON.parse 处理 .json 文件,以及使用 process.dlopen 处理 .node 文件。

在 Node 编写的所有代码将封装到函数中

有人经常误解 Node 的封装模块的用途。让我们通过 exports/module.exports 之间的关系来了解它。

我们可以使用 exports 对象导出属性,但是我们不能直接替换 exports 对象,因为它仅是对 module.exports 的引用

对于每个模块而言这个 exports 对象看似是全局的,这和将其定义为 module 对象的引用,那到底什么是 exports 对象呢?

在解释 Node 的封装过程之前,让我再问一个问题。

在浏览器中,当我们在脚本中如下所示地声明一个变量:

在定义 answer 变量的脚本之后,该变量将在所有脚本中全局可见。

这在 Node 中根本不是问题。我们在某个模块中定义的变量,其它模块是访问不到的。那么为什么 Node 中变量的作用域这么神奇?

答案很简单。在编译模块之前,Node 会把模块代码封装在一个函数中,我们可以通过 module 模块的 wrapper 属性看出来。

Node 不会直接执行你写在文件中的代码。它执行这个包装函数,你写的代码只是它的函数体。因此所有定义在模块中的顶层变量都受限于模块的作用域。

这个包装函数有5个参数:exports, require, module, __filename 和 __dirname。它们看起来像是全局的,但实际它们在每个模块内部。

所有这些参数都会在 Node 执行包装函数的时候获得值。exports 是 module.exports 的引用。require 和 module 都有特定的功能。__filename/__dirname 变量包含了模块文件名及其所有目录的绝对路径。

如果你的脚本在第一行出现错误,你就会看到它是如何包装的:

注意上例中的第一行并非是真的错误引用,而是为了在错误报告中输出包装函数。

此外,既然每个模块都封装在函数中,我们可以通过 arguments 关键字来使用函数的参数:

第一个参数是 exports 对象,它一开始是空的。然后是 require/module 对象,它们与在执行的 index.js 文件的实例关联,并非全局变量。最后 2 个参数是文件的路径及其所在目录的路径。

包装函数的返回值是 module.exports。在包装函数的内部我们可以通过改变 module.exports 属性来改变 exports 对象,但不能直接对 exports 赋值,因为它只是一个引用。

这个事情大致像这样:

如果我们直接改变 exports 对象,它就不再是 module.exports 的引用。JavaScript 在任何地方都是这样引用对象,并非只是在这个环境中。

require 对象

require 没什么特别,它主要是作为一个函数来使用,接受模块名称或路径作为参数,返回 module.exports 对象。如果我们想改变 require 对象的逻辑,也很容易。

比如,为了进行测试,我们想让每个 require 调用都被模拟为返回一个假对象来代替模块导出的对象。这个简单的调整就像这样:

在上面重新对 require 赋值之后,调用 require(‘something’) 就会返回模拟的对象。

require 对象也有自己的属性。我们已经看到了 resolve 属性,它也是一个函数,是 require 处理过程中解析路径的步骤。上面我们还看到了 require.extensions。

还有一个 require.main 可用于检查代码是通过请求来运行的还是直接运行的。

再来看个例子,定义在 print-in-frame.js 中的 printInFrame 函数:

这个函数需要一个数值型的参数 size 和一个字符串型的参数 header,它会在打印一个由指定数量的星号生成的框架,并在其中打印 header。

我们希望通过两种方式来使用这个文件:

  1. 从命令行直接运行:

在命令行传入 8 和 Hello 作为参数,它会打印出由 8 个星号组成的框架中的 “Hello”。

2. 通过 require 来使用。假设所需要的模块会导出 printInFrame 函数,然后就可以这样做:

它在由 5 个星号组成的框架中打印 “Hey”。

这是两种不同的使用方式。我们得想办法检测文件是独立运行的还是由其它脚本请求的。

这里用一个简单的 if 语句来解决:

我们可以使用这个条件,以不同的方式调用 printInFrame 来满足需求:

如果文件不是被请求的,我们使用 process.argv 来调用 printInFrame。否则,我们将 module.exports 修改为 printInFrame 引用。

所有模块都会被缓存

理解缓存很重要。我们用一个简单的示例来说明缓存。

假设有一个 ascii-art.js,可以打印炫酷的标头:

我们想每次这个文件的时候都能看到这些标头,那么如果我们请求这个文件两次,期望会看到两次标头输出。

因为模块缓存,第二次请求不会显示标头。Node 会在第一次调用的时候缓存文件,所以第二次调用的时候就不会重新加载了。

我们可以在第一次请求之后通过打印 require.cache 来看缓存的内容。缓存注册表只是一个简单的对象,它的每个属性对应着每次请求的模块。那些属性值是每个模块中的 module 对象。只需要从 require.cache 里删除某个属性就可以使对应的缓存失效。如果这样做,Node 会再次加载模块并再加将它加入缓存。

不过在现在这个情况下,这样做并不是一个高效的解决办法。简单的办法是在 ascii-art.js 中把输出语句包装为一个函数,然后导出它。用这个办法,我们请求 ascii-art.js 文件的时候会得到一个函数,然后每次执行这个函数都可以看到输出:

以上,就是我这次要说的内容!

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