浅谈 Node.js 模块机制及常见面试问题解答

Node.js 模块机制采用了 Commonjs 规范，弥补了当前 JavaScript 开发大型应用没有标准的缺陷，类似于 Java 中的类文件，Python 中的 import 机制，Node.js 中可以通过 module.exports、require 来导出和引入一个模块.

在模块加载机制中，Node.js 采用了延迟加载的策略，只有在用到的情况下，系统模块才会被加载，加载完成后会放到 binding_cache 中。

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面试指南

  • require 的加载机制？，参考：模块加载机制
  • module.exports 与 exports 的区别，参考：对象引用关系考察
  • 假设有 a.js、b.js 两个模块相互引用，会有什么问题？是否为陷入死循环？，参考正文“模块循环引用问题1”
  • a 模块中的 undeclaredVariable 变量在 b.js 中是否会被打印？，参考正文“模块循环引用问题2”
  • 模块在 require 的过程中是同步还是异步？，参考正文模块加载机制 “文件模块“

模块的分类

系统模块

  • C/C++ 模块，也叫 built-in 内建模块，一般用于 native 模块调用，在 require 出去
  • native 模块，在开发中使用的 Node.js 的 http、buffer、fs 等，底层也是调用的内建模块 (C/C++)。

第三方模块

非 Node.js 自带的模块称为第三方模块，其实还分为路径形式的文件模块（以 .、..、/ 开头的）和自定义的模块（比如 express、koa 框架、moment.js 等）

  • javaScript 模块：例如 hello.js
  • json 模块：例如 hello.json
  • C/C++ 模块：编译之后扩展名为 .node 的模块，例如 hello.node

目录结构

├── benchmark                         一些 Node.js 性能测试代码
├── deps                              Node.js 依赖
├── doc                               文档
├── lib                               Node.js 对外暴露的 js 模块源码
├── src                               Node.js 的 c/c++ 源码文件，内建模块
├── test                              单元测试
├── tools                             编译时用到的工具
├── doc                               api 文档
├── vcbuild.bat                       win 平台 makefile 文件
├── node.gyp                          node-gyp 构建编译任务的配置文件                           
...

模块加载机制

面试中可能会问到能说下 require 的加载机制吗?

在 Node.js 中模块加载一般会经历 3 个步骤，路径分析、文件定位、编译执行。

按照模块的分类，按照以下顺序进行优先加载：

  • 系统缓存：模块被执行之后会会进行缓存，首先是先进行缓存加载，判断缓存中是否有值。
  • 系统模块：也就是原生模块，这个优先级仅次于缓存加载，部分核心模块已经被编译成二进制，省略了 路径分析、文件定位，直接加载到了内存中，系统模块定义在 Node.js 源码的 lib 目录下，可以去查看。
  • 文件模块：优先加载 .、..、/ 开头的，如果文件没有加上扩展名，会依次按照 .js、.json、.node 进行扩展名补足尝试，那么在尝试的过程中也是以同步阻塞模式来判断文件是否存在，从性能优化的角度来看待，.json、.node最好还是加上文件的扩展名。
  • 目录做为模块：这种情况发生在文件模块加载过程中，也没有找到，但是发现是一个目录的情况，这个时候会将这个目录当作一个 包 来处理，Node 这块采用了 Commonjs 规范，先会在项目根目录查找 package.json 文件，取出文件中定义的 main 属性 ("main": "lib/hello.js") 描述的入口文件进行加载，也没加载到，则会抛出默认错误: Error: Cannot find module 'lib/hello.js'
  • node_modules 目录加载：对于系统模块、路径文件模块都找不到，Node.js 会从当前模块的父目录进行查找，直到系统的根目录

图片描述

require 模块加载时序图

模块缓存在哪

上面讲解了模块的加载机制，中间有提到模块初次加载之后会缓存起来，有没有疑问，模块缓存在哪里？

Node.js 提供了 require.cache API 查看已缓存的模块，返回值为对象，为了验证，这里做一个简单的测试，如下所示：

新建 test-module.js 文件

这里我导出一个变量和一个方法

module.exports = {
    a: 1,
    test: () => {}
}

新建 test.js 文件

require('./test-module.js');

console.log(require.cache);

在这个文件里加载 test-module.js 文件，在之后打印下 require.cache 看下里面返回的是什么？看到以下结果应该就很清晰了，模块的文件名、地址、导出数据都很清楚。

模块循环引用

问题1

假设有 a.js、b.js 两个模块相互引用，会有什么问题？是否为陷入死循环？看以下例子

// a.js
console.log('a模块start');

exports.test = 1;

undeclaredVariable = 'a模块未声明变量'

const b = require('./b');

console.log('a模块加载完毕: b.test值：',b.test);

// b.js
console.log('b模块start');

exports.test = 2;

const a = require('./a');

console.log('undeclaredVariable: ', undeclaredVariable);

console.log('b模块加载完毕: a.test值：', a.test);

问题2

a 模块中的 undeclaredVariable 变量在 b.js 中是否会被打印？

控制台执行node a.js，查看输出结果：

a模块start
b模块start
undeclaredVariable:  a模块未声明变量
b模块加载完毕: a.test值： 1
a模块加载完毕: b.test值： 2

问题1，启动 a.js 的时候，会加载 b.js，那么在 b.js 中又加载了 a.js，但是此时 a.js 模块还没有执行完，返回的是一个 a.js 模块的 exports 对象 未完成的副本 给到 b.js 模块（因此是不会陷入死循环的）。然后 b.js 完成加载之后将 exports 对象提供给了 a.js 模块

问题2，因为 undeclaredVariable 是一个未声明的变量，也就是一个挂在全局的变量，那么在其他地方当然是可以拿到的。

在执行代码之前，Node.js 会使用一个代码封装器进行封装，例如下面所示：

(function(exports, require, module, __filename, __dirname) {
// 模块的代码
});

对象引用关系考察

也许是面试考察最多的问题：module.exports 与 exports 的区别？

exports 相当于 module.exports 的快捷方式如下所示:

const exports = modules.exports;

但是要注意不能改变 exports 的指向，我们可以通过 exports.test = 'a' 这样来导出一个对象, 但是不能向下面示例直接赋值，这样会改变 exports 的指向

// 错误的写法 将会得到 undefined
exports = {
  'a': 1,
  'b': 2
}

// 正确的写法
modules.exports = {
  'a': 1,
  'b': 2
}

更好的理解之间的关系，可以参考 JavaScript中的对象引用

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