ES Modules (ESM) 的静态化优势：为什么 Tree Shaking 无法在 CommonJS 中有效工作

各位来宾，各位开发者，大家好！

今天，我们齐聚一堂，探讨一个在现代JavaScript开发中至关重要的主题：ES Modules（ESM）的静态化优势，以及这一优势如何成为Tree Shaking在CommonJS（CJS）中难以有效工作的根本原因。随着前端应用日益复杂，代码体积的优化成为了性能提升的关键一环。Tree Shaking作为一种重要的死代码消除技术，其有效性直接关系到我们最终交付给用户的应用大小。理解ESM为何能完美支持Tree Shaking，而CJS为何不能，将帮助我们更好地设计和构建高性能的JavaScript应用。

在深入探讨之前，我们先回顾一下JavaScript模块系统的演进。在ESM标准化之前，JavaScript并没有原生的模块系统。开发者社区为了组织和复用代码，发明了各种模式，其中CommonJS和AMD（Asynchronous Module Definition）是影响力最大的两种。CommonJS主要应用于服务器端（如Node.js），以其简洁的同步加载机制而广受欢迎；AMD则主要面向浏览器端，解决了同步加载可能导致的UI阻塞问题。然而，这些都是运行时（runtime）的解决方案。ES Modules的出现，则带来了语言层面的、编译时（compile-time）的模块系统，这正是其能够实现Tree Shaking等高级优化的基石。

理解 CommonJS 的动态本质

要理解CommonJS为何难以支持Tree Shaking，我们首先需要深入剖析它的工作原理和动态特性。CommonJS模块系统是Node.js早期采用并推广的模块规范，它的核心思想是模块的同步加载和运行时导出。

require 函数的工作机制

在CommonJS中，你通过 require() 函数来导入模块，通过 module.exports 或 exports 对象来导出模块。

// commonjs-module.js
const someValue = 42;
let counter = 0;

function increment() {
    counter++;
    return counter;
}

module.exports = {
    someValue,
    increment,
    getCounter: () => counter
};

console.log('commonjs-module.js loaded');

// app.js
const myModule = require('./commonjs-module.js');

console.log(myModule.someValue); // 42
console.log(myModule.increment()); // 1
console.log(myModule.getCounter()); // 1

// 再次require同一个模块，不会再次执行模块体
const anotherRef = require('./commonjs-module.js');
console.log(anotherRef.getCounter()); // 1 (说明模块只加载一次并缓存)

// 尝试修改导入的模块对象
myModule.someValue = 100;
console.log(myModule.someValue); // 100
console.log(anotherRef.someValue); // 100 (说明导入的是同一个对象引用)

// 动态require的例子
const moduleName = './commonjs-module.js';
const dynamicModule = require(moduleName);
console.log(dynamicModule.someValue); // 100

从上面的例子中，我们可以观察到CommonJS的几个关键特性：

1. 同步加载： require() 调用是同步的。当一个模块被 require 时，它会立即执行，并返回其 module.exports 对象。如果模块尚未加载，Node.js会找到对应的文件，将其包装在一个函数中执行，然后缓存其 module.exports 对象。
2. 模块包装： Node.js在执行CommonJS模块文件时，会将其内容包装在一个函数表达式中，类似于：

   (function(exports, require, module, __filename, __dirname) {
       // 你的模块代码在这里
       const someValue = 42;
       module.exports = { someValue };
   })(exports, require, module, __filename, __dirname);

   这个包装函数提供了模块作用域，并注入了 exports、require、module、__filename、__dirname 等局部变量。

3. 模块缓存： 一旦一个模块被 require 加载，它的 module.exports 对象就会被缓存起来。后续对同一个模块的 require 调用将直接返回缓存中的对象，而不会再次执行模块体。这确保了模块的单例模式。

4. module.exports 与 exports：

   • module.exports 是模块的实际导出对象。
   • exports 是 module.exports 的一个引用，是Node.js为了方便开发者而提供的一个快捷方式。
   • 通常情况下，你可以通过向 exports 对象添加属性来导出内容，例如 exports.foo = bar;。
   • 但如果你需要将整个模块导出为一个不同的值（例如，导出一个类或一个函数），你必须使用 module.exports = yourValue;。一旦你将 module.exports 赋值为新的对象，exports 就不再指向 module.exports，而是指向之前的空对象。

   // cjs-export-differences.js
   exports.a = 1; // exports 和 module.exports 此时都指向 { a: 1 }
   module.exports.b = 2; // exports 和 module.exports 此时都指向 { a: 1, b: 2 }
   exports = { c: 3 }; // ⚠️ 此时 exports 指向了新对象 { c: 3 }，但 module.exports 仍然是 { a: 1, b: 2 }
   module.exports.d = 4; // module.exports 变为 { a: 1, b: 2, d: 4 }
   // 最终导出的是 module.exports，即 { a: 1, b: 2, d: 4 }

   这种 exports 和 module.exports 的微妙关系，也增加了静态分析的复杂性。

CommonJS 的动态特性如何阻碍静态分析

CommonJS最核心的特点是其动态性。这种动态性体现在以下几个方面，这些方面正是Tree Shaking无法有效工作的主要障碍：

1. 动态 require 路径：
   require() 函数的参数可以是任意的表达式，而不仅仅是字符串字面量。这意味着模块的导入路径可以在运行时根据条件、变量甚至更复杂的逻辑来决定。

   // cjs-dynamic-require.js
   const isProd = process.env.NODE_ENV === 'production';
   const modulePath = isProd ? './prod-utils' : './dev-utils';
   const utils = require(modulePath); // 运行时决定导入哪个模块
   
   function loadModule(name) {
       return require(`./modules/${name}`); // 运行时拼接路径
   }
   
   const myModule = loadModule('data-processor');

   在编译时，一个静态分析工具（例如Tree Shaker）无法预知 isProd 的值，也无法预知 name 变量可能传入什么，因此它无法确定 require 到底会加载哪个模块，更无法预先构建完整的模块依赖图。它必须假设所有可能的路径都可能被加载，这使得死代码消除变得不可能。

2. 动态 exports：
   module.exports 或 exports 对象可以在模块执行过程中的任何时候被修改。导出的内容不仅仅是字面量，也可以是根据运行时条件计算出的结果。

   // cjs-dynamic-exports.js
   let config = {};
   if (process.env.FEATURE_X === 'enabled') {
       config.featureX = true;
       module.exports.apiX = () => 'API X enabled';
   } else {
       config.featureX = false;
       module.exports.apiY = () => 'API Y enabled';
   }
   
   module.exports.getConfig = () => config;
   
   // 甚至可以在导出一个函数后，在运行时修改它
   module.exports.dynamicFn = () => 'Initial';
   if (Math.random() > 0.5) {
       module.exports.dynamicFn = () => 'Changed';
   }

   由于导出内容的不确定性，静态分析器无法在编译时确定一个模块最终会导出哪些属性，也无法知道这些属性的值是什么。它无法判断一个未被 require 的导出是否真的“死”了，因为它可能在运行时被另一个 require 路径动态加载并使用。

3. 运行时副作用：
   CommonJS模块在加载时会执行模块体的所有代码。这意味着模块中的任何顶级语句都可能产生副作用，例如修改全局变量、执行网络请求、打印日志等。

   // cjs-side-effect.js
   console.log('Loading cjs-side-effect.js'); // 副作用
   global.myGlobalVar = 'I was set by a CJS module'; // 副作用
   
   module.exports = {
       value: 123
   };

   即使一个模块的导出从未被使用，如果它具有副作用，那么它仍然不能被Tree Shaking移除。由于CommonJS的动态性，很难在不执行代码的情况下准确判断其是否存在副作用。

4. 模块对象的浅拷贝（快照）：
   当 require() 一个CommonJS模块时，它会返回 module.exports 对象的一个浅拷贝（或者说，是那个对象的引用）。这意味着如果导入的模块内部修改了其导出的对象，所有导入该模块的地方都会看到这些修改。然而，Tree Shaking关心的是哪些导出被使用了，而不是导出的对象本身是否可变。CommonJS的这种机制使得判断一个模块的某个导出是否“未使用”变得极其困难，因为即使当前代码没有直接使用某个导出，该导出也可能在未来通过其他动态 require 路径被访问，或者其存在本身就代表了某种副作用。

   更重要的是，CommonJS模块的导出是一个值拷贝（Value Copy，这里的值指的是导出的对象引用本身），而不是ESM那样的活动绑定。当一个模块被 require 导入后，它得到的是 module.exports 对象在 require 时的快照（一个引用）。如果原始模块后续修改了 module.exports 对象上的属性，导入方会看到这些修改，但如果原始模块完全替换了 module.exports 对象，导入方仍然持有旧对象的引用。

   // cjs-value-copy-origin.js
   let count = 0;
   setInterval(() => {
       count++;
       // 尝试修改 exports 对象上的属性
       exports.currentCount = count;
       // ⚠️ 尝试完全替换 module.exports
       // module.exports = { newCount: count }; // 这样做会导致外部 require 仍然拿到旧的 module.exports
   }, 1000);
   
   module.exports.initialCount = count;
   module.exports.increment = () => {
       count++;
       return count;
   };
   console.log('cjs-value-copy-origin.js loaded');

   // cjs-value-copy-consumer.js
   const originModule = require('./cjs-value-copy-origin.js');
   
   console.log('Initial:', originModule.initialCount); // 0
   console.log('Incremented:', originModule.increment()); // 1
   
   setTimeout(() => {
       console.log('After 2s, currentCount:', originModule.currentCount); // 可能会是 2 (如果 setInterval 已经触发了两次)
       // ⚠️ 如果 originModule 内部完全替换了 module.exports，这里仍然会访问旧对象上的属性
       // 比如如果 originModule 变成了 module.exports = { newCount: 5 };
       // originModule.newCount 将是 undefined，因为它拿到的是旧对象的引用
   }, 2500);

   这种机制意味着，静态分析器无法仅仅通过分析 require 语句来确定哪些属性会被使用。即使一个属性在导入时不存在，它也可能在模块的生命周期中被动态添加。

综合上述，CommonJS的动态特性使得它在编译时难以构建一个完整的、准确的依赖图，也难以确定哪些代码是真正未被使用的。这正是Tree Shaking在CommonJS中无法有效工作根本原因。

ES Modules 的静态优势

与CommonJS形成鲜明对比的是，ES Modules从设计之初就考虑到了静态分析的需求。它的语法和加载机制都旨在提供编译时可确定性。

import 和 export 的静态特性

ES Modules使用 import 和 export 关键字来声明模块的依赖和导出。这些声明在语法上是固定的，不能在运行时动态改变。

// esm-module.js
export const someValue = 42;
let counter = 0;

export function increment() {
    counter++;
    return counter;
}

export const getCounter = () => counter;

// 默认导出
export default {
    appName: 'ESM App',
    version: '1.0.0'
};

console.log('esm-module.js loaded');

// app.js
import { someValue, increment, getCounter } from './esm-module.js';
import defaultAppInfo from './esm-module.js'; // 导入默认导出
import * as myModule from './esm-module.js'; // 导入所有导出为命名空间对象

console.log(someValue); // 42
console.log(increment()); // 1
console.log(getCounter()); // 1

console.log(defaultAppInfo.appName); // ESM App
console.log(myModule.someValue); // 42

// 尝试修改导入的值 (对于原始类型导出是无效的，对于对象导出则修改的是对象本身)
// someValue = 100; // TypeError: Assignment to constant variable.
// myModule.someValue = 100; // TypeError: Cannot assign to read only property 'someValue'

// 再次导入同一个模块，不会再次执行模块体
import { getCounter as anotherGetCounter } from './esm-module.js';
console.log(anotherGetCounter()); // 1 (说明模块只加载一次并缓存)

// 动态导入 (⚠️ 这是 ES 2020 的动态 import() 语法，与 CommonJS 的动态 require 不同)
async function loadDynamicModule() {
    const dynamicModule = await import('./esm-module.js');
    console.log('Dynamic import:', dynamicModule.someValue); // 42
}
loadDynamicModule();

ES Modules的静态特性体现在：

1. 静态声明： import 和 export 语句必须出现在模块的顶层作用域，不能嵌套在条件语句、函数或其他块中。这意味着在代码执行之前，解析器就能确定模块的所有导入和导出。

   // 无效的 ESM 导入/导出
   if (condition) {
       import { foo } from './module.js'; // SyntaxError
   }
   
   function doSomething() {
       export function bar() {} // SyntaxError
   }

2. 编译时解析： 模块的依赖关系在代码编译/解析阶段就已确定，形成一个静态的模块依赖图（Module Dependency Graph）。这允许工具（如打包器）在不执行代码的情况下进行分析和优化。

3. 实时绑定（Live Bindings）：
   ESM的导入不是值的拷贝，而是对原始模块中导出变量的实时绑定。这意味着如果被导入的模块修改了其导出的变量的值，导入方会立即看到这个新值。

   // esm-live-binding-origin.js
   export let count = 0;
   export function increment() {
       count++;
       return count;
   }
   
   setInterval(() => {
       count++;
       console.log('Origin count:', count);
   }, 1000);

   // esm-live-binding-consumer.js
   import { count, increment } from './esm-live-binding-origin.js';
   
   console.log('Initial count:', count); // 0
   increment();
   console.log('After increment:', count); // 1
   
   setTimeout(() => {
       console.log('After 2s, consumer sees count:', count); // 可能会是 3 (如果 setInterval 已经触发了两次)
   }, 2500);

   这种实时绑定机制对于Tree Shaking至关重要。如果一个导入的绑定从未在导入方被访问或使用，那么解析器可以安全地判断该绑定及其在源模块中的相应代码是死代码。

4. 模块作用域： 每个ESM模块都有自己的独立作用域，顶层 this 的值是 undefined (在严格模式下，ESM默认就是严格模式)。这避免了CommonJS中 this 绑定可能带来的不确定性，使得模块代码的行为更加可预测。

5. 严格模式： ESM模块默认以严格模式运行，这有助于避免一些JavaScript的“坏习惯”，并使得代码行为更加确定，有利于静态分析。

6. 异步加载能力： 虽然 import 语句本身是同步解析的，但ESM的加载过程是异步的。这使得ESM在浏览器环境中也能高效地工作，而不会阻塞UI。同时，ES2020引入的 import() 语法提供了动态加载模块的能力，但它返回一个Promise，并且其行为是明确定义的，打包工具仍然可以对其进行一定程度的优化。

ES Modules 与 CommonJS 关键差异对比

为了更直观地理解，我们可以通过一个表格来总结ES Modules和CommonJS在静态分析相关方面的关键差异：

特性	CommonJS (CJS)	ES Modules (ESM)
导入/导出语法	require(), module.exports, exports	import, export
加载时机	运行时同步加载	编译时静态解析，加载过程异步
导入路径	动态可变，可以是表达式、变量	静态字面量字符串，顶层声明
导出内容	运行时动态修改 module.exports 对象上的属性	编译时明确声明导出，顶层声明
绑定方式	值拷贝（导入时 module.exports 对象的引用快照）	实时绑定（对原始模块导出变量的引用）
模块作用域	函数作用域，this 可变	模块作用域，顶层 this 为 undefined
严格模式	非默认，需要显式声明 use strict	默认严格模式
缓存机制	缓存 module.exports 对象	缓存已解析和执行的模块实例，其导出是实时绑定
Tree Shaking	难以有效支持	原生支持，是其核心优势之一

Tree Shaking 的核心原理

理解了CommonJS的动态性和ESM的静态性之后，我们就可以深入探讨Tree Shaking的工作原理，以及为什么ESM是其理想的宿主。

什么是 Tree Shaking？

Tree Shaking（也称为死代码消除，Dead Code Elimination）是一种优化技术，用于移除JavaScript项目中未使用的代码。它的目标是：

1. 减小最终打包文件的大小： 移除不必要的代码可以显著减小JavaScript文件的大小，从而加快页面加载速度。
2. 提高运行时性能： 减少需要解析和执行的代码量，可以提高应用的启动和运行性能。

这个名字来源于代码的模块依赖图，就像一棵树。我们只“摇晃”这棵树，让那些未被“摇到”的，也就是未被引用的“叶子”（代码片段）掉下来，从而在最终的打包中不包含它们。

Tree Shaking 如何工作？

Tree Shaking主要依赖于静态分析。它的基本步骤如下：

1. 构建模块依赖图（Module Dependency Graph）：
   打包工具（如Webpack、Rollup）从入口文件开始，解析所有的 import 语句，递归地构建一个完整的模块依赖图。这一步要求所有的 import 都是静态的，即在编译时就能确定依赖关系。
2. 识别导出与导入：
   对于每个模块，打包工具会分析其所有的 export 声明，以及它从其他模块 import 了哪些具体的绑定。
3. 标记“已使用”代码：
   从入口文件开始，打包工具会遍历模块依赖图。对于每个导入的绑定，它会检查该绑定在导入模块中是否实际被使用（例如，被调用、被赋值、被作为参数传递等）。如果一个绑定被使用了，那么该绑定在源模块中对应的导出，以及支持该导出所需的代码（包括其依赖的内部变量和函数），都会被标记为“已使用”。
4. 消除“未使用”代码：
   在标记完成后，所有未被标记为“已使用”的代码（包括未被导入的导出、未被调用的函数、未被引用的变量等）都将被视为死代码，并在最终的打包输出中被移除。

副作用 (Side Effects) 的概念

在Tree Shaking中，一个非常重要的概念是“副作用”。如果一个模块在被导入时，除了导出其声明的内容之外，还会做其他事情（例如修改全局变量、打印日志、执行网络请求等），那么即使它的导出从未被使用，该模块也不能被完全移除，因为它产生了副作用。

// module-with-side-effect.js
console.log('This module has a side effect: logging a message'); // 副作用

export const usefulFunction = () => {
    console.log('This is a useful function');
};

export const anotherFunction = () => {
    console.log('This is another function');
};

如果 usefulFunction 和 anotherFunction 都未被导入和使用，但 module-with-side-effect.js 仍然会被保留，因为其顶层的 console.log 调用是一个副作用。

为了帮助打包工具更好地进行Tree Shaking，package.json 文件中引入了 sideEffects 字段：

{
  "name": "my-library",
  "version": "1.0.0",
  "type": "module",
  "sideEffects": false, // 表示本包的所有模块都没有副作用（除非被显式标记）
  // 或者
  "sideEffects": ["./src/polyfills.js", "./src/globals.js"], // 显式列出有副作用的文件
  // 或者
  "sideEffects": ["**/*.css"] // 匹配所有 CSS 文件
}

• "sideEffects": false 告诉打包工具，这个包中的所有模块都没有副作用。这意味着如果一个模块的所有导出都没有被使用，那么整个模块都可以被安全地移除。
• "sideEffects": [...] 允许你指定哪些文件或文件模式具有副作用，即使它们的导出未被使用，也应该被保留。

sideEffects 字段是Tree Shaking能够更激进地进行优化的关键，但它需要开发者对自己的代码有清晰的认知。

为什么 Tree Shaking 无法在 CommonJS 中有效工作

现在，我们终于可以详细阐述为什么CommonJS的动态特性使其成为Tree Shaking的巨大障碍。

1. 动态 require() 导致无法构建静态依赖图

正如前面所讨论的，CommonJS的 require() 函数可以接受任何表达式作为参数：

// cjs-problem-1.js
const moduleName = 'lodash';
const _ = require(moduleName); // 动态路径
const component = require(`./components/${getCurrentComponentName()}`); // 运行时决定路径

if (env === 'development') {
    require('dev-tool'); // 条件加载
}

对于Tree Shaking工具而言，它在编译时无法执行JavaScript代码，也无法预测 moduleName、getCurrentComponentName() 或 env 在运行时会是什么值。这意味着：

• 无法确定依赖关系： 打包器无法在编译时预先构建一个完整的、准确的模块依赖图。它不知道 lodash 是否真的被加载，或者 dev-tool 是否会被加载。
• 保守策略： 为了避免破坏应用，打包器不得不采取最保守的策略：假设所有可能的 require 调用都可能发生，并且它们引用的模块都可能被使用。这意味着它不能安全地移除任何可能被动态 require 引用的模块。
• 无法追踪导出使用： 如果一个模块被动态 require，打包器就无法追踪该模块的哪些具体导出被使用了，因为 require 返回的是整个 module.exports 对象。

2. 动态 exports 导致无法确定模块接口

CommonJS模块的 module.exports 对象可以在模块执行过程中的任何时候被修改：

// cjs-problem-2-origin.js
let count = 0;
function increment() {
    count++;
    return count;
}

if (process.env.FEATURE_ENABLED) {
    module.exports.increment = increment;
    module.exports.getCount = () => count;
} else {
    module.exports.logMessage = (msg) => console.log('Feature disabled, but logging:', msg);
}
// 甚至可以完全替换 module.exports
// module.exports = { initialValue: 0 };

// cjs-problem-2-consumer.js
const myModule = require('./cjs-problem-2-origin.js');

// 静态分析器无法知道 myModule 到底会有哪些属性
// 它可能拥有 increment 和 getCount，也可能拥有 logMessage
// 甚至可能在运行时被完全替换成 { initialValue: 0 }
if (myModule.increment) {
    myModule.increment();
}

这种动态性带来的问题是：

• 模块接口不确定： 静态分析器无法在编译时确定一个CommonJS模块最终会导出哪些属性和方法。一个属性可能在某个条件下被导出，在另一个条件下不导出。
• 无法判断导出是否“死”： 如果一个Tree Shaker看到一个 require('./module') 语句，它知道整个 module.exports 对象被导入了。但由于 module.exports 是动态的，它无法确定 module.exports.someProperty 是否真的会被使用，因为 someProperty 可能在运行时被添加或修改。因此，它不能安全地移除 someProperty 相关的代码。
• 整模块导入的本质： CommonJS的 require 总是导入整个 module.exports 对象，而不是像ESM那样导入特定的绑定。这意味着即使你只使用了 myModule.foo，整个 myModule 对象及其所有属性都必须被保留。

3. CommonJS 模块的运行时副作用

CommonJS模块的执行方式决定了其顶层代码可能会产生副作用：

// cjs-problem-3.js
console.log('This module is always executed on require, potentially causing side effects.');
global.someConfig = { enabled: true }; // 修改全局对象

module.exports = {
    pureFunction: (a, b) => a + b
};

• 无法安全移除整个模块： 即使 pureFunction 从未被 require 和使用，cjs-problem-3.js 模块仍然会在 require 时执行其顶层代码，导致 console.log 和 global.someConfig 的副作用。
• 保守处理副作用： 由于CommonJS的动态性，很难在不执行代码的情况下准确判断一个模块是否存在副作用。因此，打包器往往会选择保守地保留整个CommonJS模块，即使其导出未被使用，以防万一存在未知的副作用。这极大地限制了Tree Shaking的能力。

4. CommonJS 的值拷贝而非实时绑定

CommonJS的 require 返回的是 module.exports 对象的一个快照（引用）。这意味着：

// cjs-problem-4-origin.js
let value = 10;
exports.currentValue = value;

setInterval(() => {
    value++;
    exports.currentValue = value; // 修改导出对象上的属性
}, 1000);

// cjs-problem-4-consumer.js
const origin = require('./cjs-problem-4-origin.js');
console.log(origin.currentValue); // 10

setTimeout(() => {
    console.log(origin.currentValue); // 可能会是 11 或 12，因为 origin 持有原始对象的引用
}, 2500);

虽然导入方能够看到 currentValue 的变化，但这与Tree Shaking关注的“哪些导出被使用了”是两码事。Tree Shaking需要能够识别出未被引用的“绑定”。在CommonJS中，由于导入的是一个完整的对象，而不是特定的绑定，Tree Shaking很难区分对象中哪些属性被使用了，哪些没有。它只能看到 origin 这个对象被导入了，因此它必须保留整个 origin 对象以及所有可能被动态添加到其上的属性。

5. CommonJS 转换器的问题

在ES Modules普及之前，许多开发者会使用Babel等工具将ESM语法（import/export）转换为CommonJS语法，以便在Node.js环境或旧浏览器中运行。

// 原始 ESM 代码
// esm-source.js
export const foo = 'foo';
export const bar = 'bar';

// Babel 转换为 CommonJS 后
// esm-source-transpiled.js
"use strict";
Object.defineProperty(exports, "__esModule", {
  value: true
});
exports.foo = void 0;
exports.bar = void 0;
const foo = 'foo';
exports.foo = foo;
const bar = 'bar';
exports.bar = bar;

// 消费端
// consumer.js
const { foo } = require('./esm-source-transpiled.js');
console.log(foo);

在这种转换过程中，即使原始ESM代码可以被Tree Shaking，转换后的CommonJS代码也失去了Tree Shaking的能力。因为：

• require 替换 import： import { foo } from './module' 会被转换为 const { foo } = require('./module')。这仍然是一个CommonJS的 require 调用，它导入了整个模块对象，而不是特定的实时绑定。
• exports 替换 export： export const foo 会被转换为 exports.foo = foo。这使得 exports 对象在运行时被修改，再次引入了动态性。
• 辅助函数： 转换后的代码通常会包含一些辅助函数，例如 Object.defineProperty(exports, "__esModule", { value: true });，这增加了额外的代码，并且使得模块的结构变得更复杂，更难被Tree Shaking优化。

因此，为了实现有效的Tree Shaking，我们必须确保在打包工具进行Tree Shaking分析时，它看到的是原生的ESM语法，而不是已经被转换为CommonJS的代码。这正是现代打包工具（如Webpack、Rollup）所做的事情，它们首先解析ESM，构建依赖图，执行Tree Shaking，最后再按需转换为目标环境的模块格式。

ES Modules 如何赋能 Tree Shaking

与CommonJS的诸多限制形成对比，ES Modules的静态特性为Tree Shaking提供了完美的支持。

1. 静态导入/导出声明，构建精确的依赖图

ESM强制 import 和 export 语句必须出现在模块的顶层，且其路径必须是字符串字面量。

// esm-tree-shaking-origin.js
export const usefulFunc = () => 'I am useful';
export const unusedFunc = () => 'I am not used anywhere';
export const data = [1, 2, 3];

// 模块内部的私有变量和函数，未导出
const privateVar = 10;
function privateHelper() {
    return privateVar * 2;
}

// 导出依赖私有变量的函数
export const dependentFunc = () => `Private data: ${privateHelper()}`;

// esm-tree-shaking-consumer.js
import { usefulFunc, dependentFunc } from './esm-tree-shaking-origin.js';

console.log(usefulFunc());
console.log(dependentFunc());

当打包工具处理 esm-tree-shaking-consumer.js 时：

1. 它能明确地看到 import { usefulFunc, dependentFunc }。这意味着只有 usefulFunc 和 dependentFunc 被导入。
2. 在 esm-tree-shaking-origin.js 中，usefulFunc 和 dependentFunc 被标记为已使用。
3. dependentFunc 内部使用了 privateHelper()，而 privateHelper() 又使用了 privateVar。因此，privateHelper 和 privateVar 也被标记为已使用。
4. unusedFunc 和 data 未被任何模块导入，因此它们被标记为死代码。
5. 最终打包时，unusedFunc 和 data 相关的所有代码都将被移除，从而减小了打包体积。

这种静态分析能力是CommonJS无法比拟的。

2. 实时绑定，精确追踪导出使用

ESM的实时绑定机制意味着导入的变量是对原始导出变量的引用。这使得Tree Shaking可以更精确地判断一个导出的绑定是否被使用。

// esm-live-binding-origin-for-tree-shaking.js
export let dynamicValue = 1;
export const staticValue = 10;

setInterval(() => {
    dynamicValue++;
}, 1000);

export function doSomething() {
    console.log('Doing something...');
}

// esm-live-binding-consumer-for-tree-shaking.js
import { staticValue } from './esm-live-binding-origin-for-tree-shaking.js';

console.log(staticValue);
// console.log(dynamicValue); // 如果不导入 dynamicValue，它就不会被使用
// doSomething(); // 如果不调用 doSomething，它就不会被使用

即使 dynamicValue 和 doSomething 在 esm-live-binding-origin-for-tree-shaking.js 内部可能会被修改或调用，但在 esm-live-binding-consumer-for-tree-shaking.js 中，如果它们没有被 import 语句明确导入，打包器就可以安全地将其视为未使用代码。因为它们是命名的绑定，而不是一个庞大的动态对象的一部分。Tree Shaking工具可以精确地跟踪这些绑定。

3. 清晰的副作用边界

虽然ESM模块仍然可以有副作用，但由于其静态结构，识别和管理副作用变得更加容易。

• 顶级副作用： 任何在模块顶层执行的代码都可能产生副作用。Tree Shaking工具会特别关注这些代码。
• package.json 的 sideEffects 字段： 结合ESM的静态性，sideEffects 字段变得异常强大。当一个ESM包声明 "sideEffects": false 时，打包工具可以放心地认为，如果一个模块的所有导出都未被使用，那么整个模块都可以被安全地移除，因为它没有其他需要保留的副作用。这在处理大型第三方库时尤其有效。

4. 模块结构透明，利于高级优化

ESM的静态特性使得整个模块图在编译时就透明可见。这不仅仅有利于Tree Shaking，还为其他高级优化提供了可能，例如：

• 作用域提升（Scope Hoisting / Module Concatenation）： Rollup和Webpack等工具可以将多个ESM模块合并到一个更大的函数或文件中，从而减少模块包装函数的开销，生成更小、更快运行的代码。
• 代码分割（Code Splitting）： 打包工具可以根据 import() 动态导入语句自动将代码分割成多个块，按需加载，进一步优化初始加载性能。

实际应用与工具链

现代JavaScript开发中，Tree Shaking的实现离不开强大的打包工具。Webpack、Rollup、Vite（基于Rollup或esbuild）是利用ESM静态优势进行Tree Shaking的典型代表。

Webpack/Rollup 的角色

这些打包工具在处理ESM时，会执行以下步骤：

1. 解析（Parsing）： 使用AST解析器（如Acorn）解析JavaScript文件，构建抽象语法树（AST）。
2. 依赖分析： 遍历AST，识别所有的 import 和 export 语句，构建模块依赖图。
3. 标记（Marking）： 从入口点开始，递归遍历依赖图，标记所有被使用的导出。
4. 剔除（Pruning）： 在生成最终 bundle 时，移除所有未被标记的代码。
5. 代码生成： 将经过Tree Shaking后的代码生成为目标环境可运行的格式（例如，转换为ES5，或保留ESM）。

关键点： 打包工具必须在将ESM转换为CJS之前执行Tree Shaking。如果先转换为CJS，那么Tree Shaking的优势就丧失了。现代打包工具默认会保留ESM语法直到Tree Shaking完成。

package.json 中的 type 和 exports 字段

为了更好地支持ESM和Tree Shaking，Node.js和打包工具引入了 package.json 中的 type 和 exports 字段。

• "type": "module"：
  当你在 package.json 中设置 "type": "module" 时，Node.js会将当前包中的 .js 文件默认解析为ES Modules。如果设置为 "type": "commonjs"（或不设置，这是默认值），则 .js 文件会被解析为CommonJS。这对于区分模块类型至关重要。

• "exports" 字段：
  exports 字段允许包作者定义其包的“入口点”，并为不同的环境（如Node.js、浏览器、ESM、CommonJS）提供不同的文件路径。这对于实现“双模块包”（Dual Package Hazard）和确保Tree Shaking有效工作非常重要。

  // package.json 示例
  {
    "name": "my-library",
    "version": "1.0.0",
    "type": "module", // 默认ESM
    "main": "./dist/cjs/index.js", // CJS 入口（为了兼容旧工具）
    "module": "./dist/esm/index.js", // ESM 入口（给打包工具使用）
    "exports": {
      ".": {
        "import": "./dist/esm/index.js", // ESM 环境使用
        "require": "./dist/cjs/index.js", // CJS 环境使用
        "default": "./dist/esm/index.js" // 默认 fallback
      },
      "./utils": { // 子路径导出
        "import": "./dist/esm/utils.js",
        "require": "./dist/cjs/utils.js"
      }
    },
    "sideEffects": false // 告诉打包工具，这个库没有副作用
  }

  通过 exports 字段，当一个消费者 import 'my-library' 时，打包工具会优先选择 import 条件下的ESM文件。这确保了Tree Shaking能够处理到原生的ESM代码。

Babel 与 Tree Shaking

Babel是一个JavaScript编译器，常用于将新版本的JavaScript代码转换为旧版本以提高兼容性。在Tree Shaking的语境下，Babel的使用需要注意：

• 避免将 ESM 转换为 CJS： 如果你的目标是利用Tree Shaking，那么在Babel配置中，负责转换ESM语法的插件（如 @babel/plugin-transform-modules-commonjs）应该禁用或配置为不转换，直到打包工具完成Tree Shaking。现代打包工具（如Webpack 5，Rollup）知道如何处理ESM，它们会进行Tree Shaking，然后根据目标环境再进行模块格式的转换。
• modules: false： 在Babel的 @babel/preset-env 配置中，通常会设置 modules: false 来禁用ESM到CJS的转换，将模块转换的工作留给打包器。

// .babelrc 示例
{
  "presets": [
    ["@babel/preset-env", {
      "modules": false, // 重要的配置：禁用 ES Modules 到 CommonJS 的转换
      "targets": "> 0.25%, not dead"
    }]
  ],
  "plugins": [
    // 其他插件，如 class properties 等
  ]
}

挑战与注意事项

尽管ESM为Tree Shaking带来了巨大的优势，但仍有一些挑战和注意事项需要我们理解：

1. 副作用的精确识别：
   即使是ESM，如果模块中存在难以静态分析的副作用（例如，在顶层作用域执行了一个复杂的函数，该函数可能修改全局状态或执行I/O操作），Tree Shaking工具也可能无法完全移除它。开发者需要尽可能地将副作用限制在函数内部，并在需要时通过 sideEffects 字段进行声明。

2. 混用 CommonJS 与 ESM：
   在大型项目中，可能存在CommonJS和ESM模块混用的情况。当ESM模块导入CJS模块时，CJS模块的动态性仍然会限制Tree Shaking。通常，打包工具会将CJS模块视为具有副作用的整体，无法对其内部进行Tree Shaking。

   // cjs-mixed-module.js
   module.exports.foo = 1;
   module.exports.bar = 2;

   // esm-consumer.js
   import { foo } from './cjs-mixed-module.js'; // 导入 CJS 模块
   console.log(foo);
   // 尽管只使用了 foo，但打包工具很可能无法对 cjs-mixed-module.js 进行 Tree Shaking，
   // 因为它是一个 CommonJS 模块，其 bar 属性也可能被保留。

   理想情况下，所有依赖都应该逐步迁移到ESM。

3. 动态 import() 与 Tree Shaking：
   ES2020引入的 import() 语法允许动态加载模块。尽管它是动态的，但其行为是Promise-based且明确定义的，打包工具通常可以将其识别为代码分割点，并对被动态导入的模块进行独立的Tree Shaking。这与CommonJS的动态 require 有本质区别，后者是同步且完全不可预测的。

4. 库的发布：
   库作者在发布npm包时，应尽可能提供ESM版本（通过 type: "module" 或 exports 字段），并确保ESM版本能够被Tree Shaking。通常会同时提供ESM和CJS版本，以最大化兼容性。

结语

ES Modules的静态化设计，是现代JavaScript生态系统实现高效Tree Shaking死代码消除的基石。通过强制顶层静态声明、提供实时绑定和明确的模块边界，ESM赋予了打包工具在编译时构建精确依赖图的能力，从而能够安全、有效地移除未使用的代码。而CommonJS的动态加载和导出机制，使其难以进行静态分析，成为了Tree Shaking的天然障碍。拥抱ESM，并合理配置我们的构建工具链，是构建更小、更快、更优化的JavaScript应用的关键一步。理解这些底层原理，将使我们能够做出更明智的技术决策，为用户提供更好的体验。