Node.js中Require机制的原理是什么

这篇文章给大家介绍Node.js中Require机制的原理是什么，内容非常详细，感兴趣的小伙伴们可以参考借鉴，希望对大家能有所帮助。

什么是 CommonJS

每一个文件就是一个模块，拥有自己独立的作用域，变量，以及方法等，对其他的模块都不可见。CommonJS 规范规定，每个模块内部，module 变量代表当前模块。这个变量是一个对象，它的exports属性（即module.exports）是对外的接口。

模块分类

•  原生(核心)模块：Node 提供的模块我们都称之为原生模块

•  内建模块:Node.js 原生提供的模块中，由纯 C/C++ 编写的称为内建模块

•  全局模块：Node.js在启动时，会生成一个全局量 process

•  除了上面两种可以直接 require 的所有原生模块

•  文件模块：用户编写的模块

•  普通文件模块：node_modules 下面的模块，或者我们自己开发时候写的每个文件内容。

•   C++ 扩展模块：用户自己编写的 C++ 扩展模块或者第三方 C++ 扩展模块

模块加载

介绍了上面的模块分类，正常应该到介绍不同模块的加载环节，这里不这样,只列出目录。先带你看一遍源码，再手写一下，然后我想你自己总结一下这几种模块的加载区别。

加载 Node.js 原生模块

本文不包括直接调用内建纯C/C++模块，也不推荐这样使用，因为我们正常调用的原生模块都是通过 js封装一层，它们自己再去调用，你想直接调用的 Node.js提供的存C/C++ 内建模块，js 封装的一层也都能做到。那部分内容放在 Node.js与 C++ 那些事的文章中介绍。

require 加载普通文件模块

require 加载 C++ 扩展文件模块

require 加载原理(源码分析与手写)

require 源码解析图

画了一个源码导图，可以直接跟着导图学一遍配上文章讲解，效果更佳。(导图太大了上传不清晰，需要找我要吧。)

require 源码并不复杂，这里采用的是边看源码边手写的方式讲解(我们最终实现的require 是简易版本，一些源码提到，但是简易版本不会实现)，实现 require 其实就是实现整个 Node.js 的模块加载机制，Node.js 的模块加载机制总结下来一共八步。

网上一些文章只分成了3-4步，我这里做了一下细化，为了彻底搞懂我开篇提到的一些问题。

1. 基础准备阶段

Node.js 模块加载的主流程都在 Module 类中，在源码的https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L150 中进行了基础 Module 类定义，这个构造函数中的内容主要做一些值的初始化，我们自己对照着实现下，为了和源码有一个区别，本文使用 KoalaModule 命名。

function KoalaModule(id = '') {    this.id = id;       // 这个id其实就是我们require的路径    this.path = path.dirname(id);     // path是Node.js内置模块，用它来获取传入参数对应的文件夹路径    this.exports = {};        // 导出的东西放这里，初始化为空对象    this.filename = null;     // 模块对应的文件名    this.loaded = false;      // loaded用来标识当前模块是否已经加载 }  KoalaModule._cache = Object.create(null); //创建一个空的缓存对象  KoalaModule._extensions = Object.create(null); // 创建一个空的扩展点名类型函数对象(后面会知道用来做什么)

然后在源码中你会找到 require 函数,在 KoalaModule 的原型链上，我们实现下

Module.prototype.require = function(id) {      return Module._load(id, this,  false);  };

在源码中你会发现又调用了_load函数，找到源码中的 _load 函数，(源码位置：https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L724)下面的所有步骤都是在这个函数中完成调用和 return的，实现简易版_load函数。

KoalaModule._load = function (request) {    // request是我们传入的路劲参数    // 2.路径分析并定位到文件    const filename = KoalaModule._resolveFilename(request);    // 3.判断模块是否加载过(缓存判断)    const cachedModule = koalaModule._cache[filename];    if (cachedModule !== undefined) {      return cachedModule.exports;    }    // 4. 去加载 node 原生模块中          // 5. 如果缓存不存在，我们需自行加载模块，new 一个 KoalaModule实例    // 加载完成直接返回module.exports    const module = new KoalaModule(filename);    // 6. load加载之前加入缓存，这也是不会造成循环引用问题的原因，但是循环引用，这个缓存里面的exports可能还没有或者不完整   KoalaModule._cache[filename] = module;    // 7. module.load 真正的去加载代码    module.load(filename);    // 8. 返回模块的module.exports     return module.exports;  }

这个函数的源码中有一些其他逻辑的细节判断，有兴趣的小伙伴再学习下，我提出了核心主干。

2. 路径分析并定位到文件

找到源码中的 _resolveFilename 函数，这个方法是通过用户传入的require参数来解析到真正的文件地址。(源码地址：https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L816)

这个函数源码中比较复杂，因为 require传递过来的值需要一层一层的判断，同时支持多种参数：内置模块，相对路径，绝对路径，文件夹和第三方模块等等，如果是文件夹或者第三方模块还要解析里面的 package.json 和 index.js。这里简单处理，只实现通过相对路径和绝对路径来查找文件，并支持判断文件js和json后缀名判断:

KoalaModule._resolveFilename = function (request) {    const filename = path.resolve(request);   // 获取传入参数对应的绝对路径    const extname = path.extname(request);    // 获取文件后缀名    // 如果没有文件后缀名，判断是否可以添加.js和.json    if (!extname) {      const exts = Object.keys(KoalaModule._extensions);      for (let i = 0; i < exts.length; i++) {        const currentPath = `${filename}${exts[i]}`;        // 如果拼接后的文件存在，返回拼接的路径        if (fs.existsSync(currentPath)) {          return currentPath;        }      }    }    return filename;  }

3. 判断模块是否加载过(缓存判断)

判断这个找到的模块文件是否缓存过，如果缓存过，直接返回 cachedModule.exports, 这里就会想到一个问题为什么在 Node.js 中模块重复引用也不会又性能问题，因为做了缓存。(源码位置：https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L747)

const cachedModule = koalaModule._cache[filename];  if (cachedModule !== undefined) {    return cachedModule.exports;  }

4. 去加载 node 原生模块

如果没有进行缓存过，会调用一个加载原生模块的函数，这里分析一下。

注意：第四部分代码我们没有进行手写实现，在_load中进行了注释，但是这里进行了一遍分析，我们写的代码是如何调用到原生模块，本部分涉及到你可能会不想看的C内容，其实也可以忽略掉，过一遍就能知道最后的结论为什么是那样了，不然看了书记不住为什么这样。

比如我们require(net),走完前面的缓存判断就会到达这个loadNativeModule函数(源码位置:https://github.com/nodejs/node/blob/802c98d65de40f245781f591a0b3b38336d1af94/lib/internal/modules/cjs/helpers.js#L31)

const mod = loadNativeModule(filename, request);    if (mod && mod.canBeRequiredByUsers) return mod.exports;

继续往下看 loadNativeModule 函数的调用。

function loadNativeModule(filename, request) {   // 这里判断下是不是在原生js模块中  ，NativeModule在bootstrap/loader.js中定义    const mod = NativeModule.map.get(filename);    if (mod) {      debug('load native module %s', request);      mod.compileForPublicLoader();      return mod;    }  }

mod 是一个 NativeModule 对象，这个对象很常见，在 node启动一个文件时候也会用到(源码位置：https://github.com/nodejs/node/blob/802c98d65de40f245781f591a0b3b38336d1af94/lib/internal/bootstrap/loaders.js#L161)

然后到了 mod 的核心函数mod.compileForPublicLoader();,下面这段代码相对源码删除了一些非核心部分。

compileForPublicLoader() {        this.compileForInternalLoader();        return this.exports;    }    compileForInternalLoader() {       if (this.loaded || this.loading) {         return this.exports;        }        // id就是我们要加载的模块，比如net       const id = this.id;        this.loading = true;         try {          const fn = compileFunction(id);          fn(this.exports, nativeModuleRequire, this, process, internalBinding, primordials);          this.loaded = true;        } finally {          this.loading = false;        }        return this.exports;      }

我们重点看compileFunction这里的逻辑。该函数是node_native_module_env.cc模块导出的函数。具体的代码就不贴了，通过层层查找，最后到 node_native_module.cc 的NativeModuleLoader::CompileAsModule。

MaybeLocal<Function> NativeModuleLoader::CompileAsModule(        Local<Context> context,        const char* id,        NativeModuleLoader::Result* result) {    5.    6.  Isolate* isolate = context->GetIsolate();   7.  // 函数的形参    8.  std::vector<Local<String>> parameters = {    9.      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "exports"),  10.      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "require"),  11.      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "module"),    12.      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "process"),   13.      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "internalBinding"),    14.      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "primordials")};    15.  // 编译出一个函数    16.  return LookupAndCompile(context, id, &para;meters, result);  17.}

我们继续看LookupAndCompile。

MaybeLocal<Function> NativeModuleLoader::LookupAndCompile(        Local<Context> context,        const char* id,        std::vector<Local<String>>* parameters,        NativeModuleLoader::Result* result) {       Isolate* isolate = context->GetIsolate();     EscapableHandleScope scope(isolate);      Local<String> source;      // 找到原生js模块的地址      if (!LoadBuiltinModuleSource(isolate, id).ToLocal(&source)) {        return {};      }      // &lsquo;net&rsquo; + &lsquo;.js&rsquo;    std::string filename_s = id + std::string(".js");      Local<String> filename =          OneByteString(isolate, filename_s.c_str(), filename_s.size());      // 省略一些参数处理      // 脚本源码      ScriptCompiler::Source script_source(source, origin, cached_data);      // 编译出一个函数      MaybeLocal<Function> maybe_fun =         ScriptCompiler::CompileFunctionInContext(context,                                                   &script_source,                                                  parameters->size(),                                                  parameters->data(),                                                  0,                                                   nullptr,                                                   options);        Local<Function> fun = maybe_fun.ToLocalChecked();      return scope.Escape(fun);    }

LookupAndCompile 函数首先找到加载模块的源码，然后编译出一个函数。我们看一下LoadBuiltinModuleSource 如何查找模块源码的。

MaybeLocal<String> NativeModuleLoader::LoadBuiltinModuleSource(Isolate* isolate, const char* id) {      const auto source_source_it = source_.find(id);      return source_it->second.ToStringChecked(isolate);    }

这里是 id 是 net，通过该 id 从 _source 中找到对应的数据，那么_source 是什么呢？Nodejs 为了提高效率，把原生 js 模块的源码字符串直接转成 ascii 码存到**内存**里。这样加载这些模块的时候，就不需要硬盘 io 了。直接从内存读取就行。_source 的定义（在 node_javascript.cc里，负责编译nodejs 源码或者执行 js2c.py 生成）。

结论：Node.js 在启动时候直接从内存中读取内容，我们通过 require 加载 net 原生模块时，通过 NativeModule的compileForInternalLoader，最终会在 _source 中找到对应的源码字符串，然后编译成一个函数，然后去执行这个函数,执行函数的时候传递 nativeModuleRequire和internalBinding两个函数，nativeModuleRequire用于加载原生 js 模块，internalBinding用于加载纯C++ 编写的内置模块。

const fn = compileFunction(id);    fn(this.exports, nativeModuleRequire, this, process, internalBinding, primordials);

5. 创建一个 KoalaModule 实例

如果不是原生 node 模块，就会当作普通文件模块加载，自己创建一个 KoalaModule 实例，去完成加载。

const module = new KoalaModule(filename);

6. 添加缓存

我把这一小步骤单独提出的原因，想说明的是先进行缓存的添加，然后进行的模块代码的加载，这样就会出现下面的结论，Node.js 官网也有单独介绍,可以自己试一下。

1. 鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区

2.  main 加载a，a 在真正加载前先去缓存中占一个位置

3.  a 在正式加载时加载了 b

4.  b 又去加载了 a，这时候缓存中已经有 a 了，所以直接返回 a.exports，这时候 exports 很有可能是不完整的内容。
   

7. module.load 真正的去加载代码

不在缓存，不是原生模块，缓存已经添加完，我们通过这个 load 函数去加载文件模块，源码中位置(https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L936)

源码中，会有一个获取文件扩展名的函数findLongestRegisteredExtension 这个方法的具体内容是有扩展名的取扩展名，没有的都按照 .js 为扩展名处理，在这个之前会判断一下 Module._extesions 支持的扩展名，不是所有都支持。

我们自己实现一下 load 函数。

KoalaModule.prototype.load = function (filename) {    // 获取文件后缀名(我们忽略掉了findLongestRegisteredExtension函数，有兴趣小伙伴自己实现)    const extname = path.extname(filename);    // 根据不同的后缀名去进行不同的处理    KoalaModule._extensions[extname](this, filename);    this.loaded = true;  }

获取到扩展名之后，根据不通的扩展名去执行不同的扩展名函数，源码中支持的扩展名有.js,.json,.node;

7.1. 加载.js

定位到加载 .js 的源码位置(https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L1092)

我们自己实现一下执行.js代码。

KoalaModule._extensions['.js'] = function (module, filename) {    const content = fs.readFileSync(filename, 'utf8');    module._compile(content, filename);  }

KoalaModule._extensions 中 _compile 函数的执行。找到对应的源码位置(https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L1037)，源码中这里还使用 proxy，我们进行一下简单实现。

KoalaModule.wrapper = [    '(function (exports, require, module, __filename, __dirname) { ',    '\n});'  ]; KoalaModule.wrap = function (script) {    return KoalaModule.wrapper[0] + script + KoalaModule.wrapper[1];  };  KoalaModule.prototype._compile = function (content, filename) {   const wrapper = KoalaModule.wrap(content);    // 获取包装后函数体    // vm是 Node.js 的虚拟机模块，runInThisContext方法可以接受一个字符串并将它转化为一个函数    // 返回值就是转化后的函数，compiledWrapper是一个函数    const compiledWrapper = vm.runInThisContext(wrapper, {      filename,      lineOffset: 0,      displayErrors: true,    });    const dirname = path.dirname(filename);    // 调用函数，这里一定注意传递进的内容。    compiledWrapper.call(this.exports, this.exports, this.require, this,      filename, dirname);  }

这里注意两个地方

•  使用 vm 进行模块代码的执行，模块代码外面进行了一层包裹,以便注入一些变量。

'(function (exports, require, module, __filename, __dirname) { ',    '\n});'

•  最终执行代码的函数传递的参数

1. 鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区

2.  this: compiledWrapper函数是通过 call 调用的，第一个参数就是里面的this，这里我们传入的是 this.exports，也就是 module.exports

3.  exports: compiledWrapper 函数正式接收的第一个参数是 exports，我们传的也是 this.exports,所以 js 文件里面的 exports 也是对module.exports 的一个引用。

4.  require: 这个方法我们传的是 this.require，其实就是KoalaModule.prototype.require 函数，也就是 KoalaModule._load。

5.  module: 我们传入的是 this，也就是当前模块的实例。

6.  __filename：文件所在的绝对路径。

7.  __dirname: 文件所在文件夹的绝对路径。

以上两点也是我们能在 JS 模块文件里面直接使用这几个变量的原因。

7.2. 加载 .json

加载 .json 文件比较简单，直接使用 JSONParse就可以，定位到源码位置(https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L1117),注意这里不要忘记异常抛出 我们简单实现下：

KoalaModule._extensions['.json'] = function (module, filename) {    const content = fs.readFileSync(filename, 'utf8');     try {     module.exports = JSONParse(content);    } catch (err) {      throw err;   }  }

7.3  加载 .node

我们自己实现的 C++ 插件或者第三方 C++ 插件，经过编译后会变为.node 扩展名文件。.node 文件的本质是动态链接库，找到对应源码位置(https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/modules/cjs/loader.js#L1135)

Module._extensions['.node'] = function(module, filename)       // ...      //return process.dlopen(module, path.toNamespacedPath(filename));   };

直接调了process.dlopen，该函数在node.js里定义。

const rawMethods = internalBinding('process_methods');    process.dlopen = rawMethods.dlopen;

找到process_methods模块对应的是node_process_methods.cc。

env->SetMethod(target, "dlopen", binding::DLOpen);

这里也过多分析，放到 Node.js 和 C++ 那些事那篇文章一起讲解。

8. 返回模块的 module.exports

return module.exports;

在模块中的代码可以修改 module.exports 的值，不管是从缓存获取，加载原生模块还是普通文件模块，module.exports 都是最终的导出结果

require 原理理解后的思考

require加载是同步还是异步

这个问题我直接告诉你同步还是异步，你可能过一阵又忘记了，我之前就是这样。看过源码或者手写一遍就知道了，代码中所有文件相关操作都是使用的同步，举几个例子：

fs.existsSync(currentPath)  fs.readFileSync(filename, 'utf8');

exports和module.exports的区别究竟是什么？

在源码中可以发现，

compiledWrapper.call(this.exports, this.exports, this.require, this,      filename, dirname);

require在执行文件时候，传递的两个参数 参数一：this.exports = {}; 参数二：this 而this就是 module 所以 module.exports = {};

所以在一个模块没有做任何代码编写之前 exports === module.exports 都是 {} ，共同指向一个引用

看一张图理解这里更清楚：

但是大多数情况下我们开发时，经常会这样导出

exports = {      name:'kaola'  }

或者这样写

module.export = {      value:'程序员成长指北‘  }

上面这两种情况就是给 exports 或者 module.exports 重新赋值了，改变了引用地址，两个属性就不再===。

关键点：require一个文件，之前在手写代码时你会发现，最终导出的内容是return module.exports;.所以你对exports的重新赋值不会改变模块的导出内容，只是改变了exports这个变量而已。导出内容永远是module.exports

require 会不会造成循环引用的问题

自行去看源码实现中的第 7 步，应就懂了。

require是怎么来的，为什么可以直接在一个文件中使用require

require 到的文件，在 vm 模块最终执行的时，对代码进行了一层包裹，并且把对应的参数传递进去执行。

包裹后的代码：

`(function (exports, require, module, __filename, __dirname) { ${script} \n});`

执行时的代码：

const wrapper = this.wrap(content);    // 获取包装后函数体   // vm是nodejs的虚拟机模块，runInThisContext方法可以接受一个字符串并将它转化为一个函数   const compiledWrapper = vm.runInThisContext(wrapper, {       filename,       lineOffset: 0,       displayErrors: true,   });   const dirname = path.dirname(filename);   compiledWrapper.call(this.exports, this.exports, this.require, this,       filename, dirname);

在这里小伙伴对 vm 模块有疑问的话可以看我的下一篇文章 冷门 Node.js模块 vm 学习必不可少。

通过代码发现 require 函数实际已经传递到了执行的 module 文件中，所以require 在 module 文件中可以直接调用了，同时也应该明白了为什么那几个变量可以直接获取了 dirname,filename 等。

学习补充

CommonJs 与 ES6Module的区别？

关于Node.js中Require机制的原理是什么就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，可以学到更多知识。如果觉得文章不错，可以把它分享出去让更多的人看到。