前端构建系统浅析

随着前端代码库越来越庞大，以及开发者体验越来越重要，直接将JavaScript源码传输给客户端会带来两个主要问题：

1. 不支持的语言特性：由于JavaScript在浏览器中运行，而浏览器种类繁多、版本各异，每增加一种语言特性，能运行你JavaScript的客户端数量就会减少。此外，像JSX这样的语言扩展不是有效的JavaScript，任何浏览器都无法运行。
2. 性能问题：浏览器必须单独请求每个JavaScript文件。在一个大型代码库中，这可能导致成千上万次的HTTP请求来渲染一个页面。在HTTP/2之前，这还会导致成千上万次的TLS握手。另外，可能需要几次连续的网络往返才能加载所有JavaScript。例如，如果index.js导入page.js，而page.js又导入button.js，那么需要三次连续的网络往返才能完全加载JavaScript。这被称为瀑布问题。源文件由于长变量名和空白缩进字符等原因，也可能不必要地变大，增加带宽使用和网络加载时间。

前端构建系统处理源代码并生成一个或多个优化后的JavaScript文件，便于传输给浏览器。最终的可分发文件通常是人类难以阅读的。

构建步骤

前端构建系统通常包括三个步骤：转译、打包和压缩。

某些应用程序可能不需要所有三个步骤。例如，较小的代码库可能不需要打包或压缩，而开发服务器可能为了性能跳过打包和/或压缩。此外，还可以添加自定义步骤。

有些工具实现了多个构建步骤。尤其是打包工具通常实现所有三个步骤，仅使用打包工具就足以构建简单的应用程序。复杂的应用程序可能需要专门的工具来分别执行每个构建步骤，以提供更大的功能集。

转译

转译通过将用现代JavaScript标准编写的代码转换为旧版本的JavaScript标准来解决不支持的语言特性问题。如今，ES6/ES2015是一个常见的目标版本。

框架和工具也可能引入转译步骤。例如，JSX语法必须转译为JavaScript。如果一个库提供了Babel插件，这通常意味着它需要一个转译步骤。此外，像TypeScript、CoffeeScript和Elm这样的语言必须转译为JavaScript。

CommonJS模块（CJS）也必须转译为浏览器兼容的模块系统。自从2018年浏览器广泛支持ES6模块（ESM）后，通常建议转译为ESM。由于ESM的导入和导出是静态定义的，因此更容易优化和进行树摇。

目前常用的转译器有Babel、SWC和TypeScript Compiler。

1. Babel（2014）是标准的转译器：一个用JavaScript编写的单线程转译器，速度较慢。许多需要转译的框架和库通过Babel插件实现，因此Babel必须成为构建过程的一部分。然而，Babel难以调试且常常令人困惑。
2. SWC（2020）是一个用Rust编写的多线程快速转译器。它声称速度比Babel快20倍，因此被较新的框架和构建工具使用。它支持转译TypeScript和JSX。如果你的应用程序不需要Babel，SWC是一个更好的选择。
3. TypeScript Compiler（tsc）也支持转译TypeScript和JSX。它是TypeScript的参考实现，也是唯一功能全面的TypeScript类型检查器。然而，它非常慢。虽然TypeScript应用程序必须使用TypeScript Compiler进行类型检查，但在构建步骤中，使用其他转译器会更高效。

如果你的代码是纯JavaScript并且使用ES6模块，可以跳过转译步骤。

对于某些不支持的语言特性，另一个解决方案是polyfill。polyfill在运行时执行，实现在执行主应用程序逻辑之前任何缺失的语言特性。然而，这增加了运行时开销，有些语言特性无法用polyfill实现。参见core-js。

所有打包工具本质上都是转译器，因为它们解析多个JavaScript源文件并生成一个新的打包JavaScript文件。在此过程中，它们可以选择在生成的JavaScript文件中使用哪些语言特性。有些打包工具还可以解析TypeScript和JSX源文件。如果你的应用程序有简单的转译需求，可能不需要单独的转译器。

打包

打包解决了需要进行多次网络请求和瀑布问题。打包工具将多个JavaScript源文件连接成一个JavaScript输出文件，称为bundle，而不改变应用程序行为。该bundle可以通过浏览器在一次网络往返请求中高效加载。

目前常用的打包工具有Webpack、Parcel、Rollup、esbuild和Turbopack。

1. Webpack（2014）在2016年左右获得了巨大的人气，后来成为标准的打包工具。与当时流行的Browserify不同，Webpack开创了“加载器”这一概念，通过导入转换源文件，使Webpack能够协调整个构建流程。加载器允许开发者在JavaScript文件中透明地导入静态资源，将所有源文件和静态资源组合成一个依赖关系图。使用Gulp时，每种类型的静态资源必须作为单独的任务进行构建。Webpack还支持开箱即用的代码分割，简化了其设置和配置。Webpack速度较慢且是单线程的，用JavaScript编写。它高度可配置，但其众多配置选项可能令人困惑。
2. Rollup（2016）利用了ES6模块在浏览器中的广泛支持以及它带来的优化，尤其是树摇。它生成的bundle大小远小于Webpack，导致Webpack后来也采用了类似的优化。Rollup是一个单线程的打包工具，用JavaScript编写，性能仅略优于Webpack。
3. Parcel（2018）是一个低配置的打包工具，旨在开箱即用，为构建过程的所有步骤和开发者工具需求提供合理的默认配置。它是多线程的，速度比Webpack和Rollup快得多。Parcel 2在底层使用SWC。
4. Esbuild（2020）是一个为并行性和性能优化而架构的打包工具，用Go编写。它的性能比Webpack、Rollup和Parcel高出数十倍。Esbuild实现了一个基本的转译器和一个压缩工具。然而，它的功能不如其他打包工具，提供的插件API有限，不能直接修改AST。可以在传递给esbuild之前对源文件进行转换，而不是使用esbuild插件修改源文件。
5. Turbopack（2022）是一个支持增量重建的快速Rust打包工具。该项目由Vercel构建，并由Webpack的创建者领导。目前处于测试阶段，可以在Next.js中选择使用。

如果你的模块很少或网络延迟很低（例如在本地环境中），可以跳过打包步骤。一些开发服务器在开发服务器中也选择不打包模块。

代码拆分

默认情况下，客户端React应用会被转换为一个bundle。对于有很多页面和功能的大型应用，bundle可能非常大，抵消了打包的原始性能优势。

通过将bundle拆分成多个较小的bundle，或称为代码拆分，解决了这个问题。一种常见的方法是将每个页面拆分为一个单独的bundle。在HTTP/2下，共享依赖项也可以被分解到它们自己的bundle中，以避免重复，几乎没有成本。此外，大型模块可以拆分为单独的bundle，并按需延迟加载。

代码拆分后，每个bundle的文件大小大大减小，但现在需要额外的网络往返，从而可能重新引入瀑布式加载问题。代码拆分是一个权衡。

文件系统路由器，由Next.js流行起来，优化了代码拆分的权衡。Next.js为每个页面创建单独的bundle，只包括该页面导入的代码。在加载一个页面时，会并行预加载该页面使用的所有bundle。这优化了bundle大小而不会重新引入瀑布式加载问题。文件系统路由器通过为每个页面创建一个入口点（pages*.jsx），而不是传统客户端React应用的单个入口点（index.jsx）来实现这一点。

摇树

一个bundle由多个模块组成，每个模块包含一个或多个导出。通常，一个给定的bundle只使用其导入模块的一个子集。打包工具可以在摇树过程中移除未使用的模块和导出。这样优化了bundle大小，提升了加载和解析时间。

摇树依赖于对源文件的静态分析，因此当静态分析变得更加困难时，摇树的效率会受到影响。两个主要因素影响摇树的效率：

1. 模块系统： ES6模块具有静态导入和导出，而CommonJS模块具有动态导入和导出。因此，打包工具在摇树ES6模块时可以更加积极和高效。
2. 副作用： package.json的sideEffects属性声明了一个模块在导入时是否具有副作用。当存在副作用时，由于静态分析的限制，未使用的模块和导出可能无法被摇树。

静态资源

静态资源，如CSS、图片和字体，通常在打包步骤中被添加到可分发文件中。它们也可能在压缩步骤中被优化文件大小。

在Webpack之前，静态资源在构建管道中与源代码分开构建，作为一个独立的构建任务。为了加载静态资源，应用必须通过它们在可分发文件中的最终路径引用它们。因此，常常需要根据URL约定仔细组织资源（例如 /assets/css/banner.jpg 和 /assets/fonts/Inter.woff2）。

Webpack的 loader 允许从JavaScript中导入静态资源，将代码和静态资源统一到一个依赖图中，简化了它们的组织和加载。尽管如此，将静态资源捆绑在JavaScript文件中会增加bundle大小，最好将静态资源分离。

代码压缩

代码压缩主要是解决文件过大的问题。压缩工具可以在不改变代码功能的情况下，减少文件的大小。对于JavaScript和CSS等代码，压缩工具可以缩短变量名、去除空白和注释、删除无用代码，并优化语言特性使用。对于其他静态资源，压缩工具也能优化文件大小。通常，压缩工具会在构建过程的最后一步运行。

目前常用的JavaScript压缩工具包括Terser、esbuild和SWC。Terser是从不再维护的uglify-es分支出来的，用JavaScript编写，因此速度较慢。而esbuild和SWC除了压缩功能外，还有其他功能，并且速度比Terser更快。

常用的CSS压缩工具有cssnano、csso和Lightning CSS。cssnano和csso是纯CSS压缩工具，用JavaScript编写，因此速度较慢。Lightning CSS则是用Rust编写的，声称速度比cssnano快100倍。此外，Lightning CSS还支持CSS转换和打包功能。

开发工具

基本的前端构建管道可以生成优化的生产发布版。然而，有许多工具可以增强基本构建管道，提升开发体验。

元框架

前端领域在选择合适的工具包时常常令人困惑。例如，上述五种打包工具中，你应该选择哪一种？

元框架提供了一组经过精选的工具包，包括构建工具，它们可以协同工作，实现特定的应用模式。例如，Next.js专注于服务器端渲染（SSR），而Remix则专注于渐进增强。

元框架通常提供预配置的构建系统，省去了自己拼凑的麻烦。它们的构建系统既有生产环境的配置，也有开发服务器的配置。

与元框架类似，Vite等构建工具也提供预配置的构建系统，适用于生产和开发环境。不同的是，它们不强制特定的应用模式，适用于一般的前端应用。

源映射（Sourcemaps）

构建管道生成的发布版对大多数人来说是难以阅读的。这使得调试错误变得困难，因为错误的追踪指向的是不可读的代码。

源映射解决了这个问题，将发布版中的代码映射回其原始源码位置。浏览器和调试工具（如Sentry）使用源映射来恢复并显示原始源码。在生产环境中，源映射通常对浏览器隐藏，只上传到调试工具，以避免公开源码。

构建管道的每一步都可以生成源映射。如果使用多个构建工具，源映射将形成一个链条（例如：source.js -> transpiler.map -> bundler.map -> minifier.map）。要找到压缩代码对应的源码，必须遍历源映射链条。

然而，大多数工具无法解释源映射链条；它们最多只期望每个文件有一个源映射。因此，源映射链条必须被压平成一个源映射。预配置的构建系统会解决这个问题（如Vite的combineSourcemaps函数）。

热重载（Hot Reload）

开发服务器通常提供热重载功能，当源代码改变时，自动重新构建新包并重新加载浏览器。虽然这比手动重建和重新加载要好得多，但仍然有点慢，并且所有客户端状态在重新加载时都会丢失。

模块热替换（Hot Module Replacement）改进了热重载，通过在运行的应用程序中替换更改的包进行原位更新。这保留了未更改模块的客户端状态，并减少了代码更改到应用更新之间的延迟。

然而，每次代码更改都会触发导入它的所有包的重建。这使得重建时间相对于包大小呈线性增长。因此，在大型应用中，模块热替换可能会因为重建成本的增加而变慢。

Vite倡导的无打包开发服务器模式则不打包开发服务器，而是直接向浏览器提供每个源码文件对应的ESM模块。在这种模式下，每次代码更改只触发一个模块在前端的替换。这样，刷新时间复杂度相对于应用大小几乎是恒定的。然而，如果模块很多，初始页面加载时间可能会变长。

单一仓库（Monorepos）

在拥有多个团队或多个应用的组织中，前端可能会被拆分成多个JavaScript包，但保留在一个仓库中。在这种架构下，每个包都有自己的构建步骤，共同形成包的依赖图。应用程序位于依赖图的根部。

单一仓库工具负责协调依赖图的构建。它们通常提供增量重建、并行处理和远程缓存等功能。通过这些功能，大型代码库也能享受小型代码库的构建时间。

标准的单一仓库工具如Bazel，支持多种语言、复杂的构建图和隔离执行。然而，前端JavaScript生态系统是最难完全整合到这些工具中的，目前几乎没有先例。

幸运的是，针对前端的单一仓库工具存在，但它们缺乏Bazel等工具的灵活性和稳健性，特别是隔离执行。

目前常用的前端单一仓库工具是Nx和Turborepo。Nx更成熟，功能更丰富，而Turborepo是Vercel生态系统的一部分。过去，Lerna是将多个JavaScript包链接在一起并发布到NPM的标准工具。2022年，Nx团队接管了Lerna，现在Lerna在后台使用Nx进行构建。

趋势

最后，来说一说前端构建的趋势。

较新的构建工具使用编译语言编写，注重性能。2019年前端构建非常慢，但现代工具大大加快了速度。然而，现代工具的功能较少，有时与库不兼容，因此旧代码库往往难以轻松切换到它们。

服务器端渲染（SSR）在Next.js兴起后变得更受欢迎。SSR对前端构建系统没有引入任何根本性的不同。SSR应用也必须向浏览器提供JavaScript，因此它们执行相同的构建步骤。

本文译自：https://sunsetglow.net/posts/frontend-build-systems.html