Node.js 中的 CommonJS 模块和 ES Modules 有何区别？它们在加载机制上有何不同？

各位同学，早上好！我是今天的主讲人，咱们今天来聊聊 Node.js 里 CommonJS 模块和 ES Modules 这俩兄弟的区别，看看它们在加载机制上是怎么各玩各的。别怕，保证讲得通俗易懂，绝对不让你打瞌睡！

开场白：模块化编程的必要性

在深入了解 CommonJS 和 ES Modules 之前，咱们先得明白模块化编程的重要性。想象一下，如果所有代码都写在一个巨大的文件里，那会是什么样的灾难？代码混乱、难以维护、命名冲突…简直就是程序员的噩梦！

模块化编程就像搭积木，把程序拆分成一个个独立的模块，每个模块负责一部分功能。这样做的好处多多：

• 代码重用： 一个模块可以在多个地方使用，减少重复代码。
• 易于维护： 修改一个模块不会影响其他模块，方便维护和调试。
• 命名空间： 每个模块都有自己的作用域，避免命名冲突。
• 提高可读性： 模块化的代码结构更清晰，易于理解。

总而言之，模块化编程是构建大型、复杂 Node.js 应用的基石。

第一部分：CommonJS 模块

CommonJS 是 Node.js 早期采用的模块化规范。它使用 require 函数来引入模块，使用 module.exports 或 exports 对象来导出模块。

1.1 CommonJS 的语法

• 导出模块：

  // moduleA.js
  const add = (a, b) => a + b;
  const subtract = (a, b) => a - b;
  
  module.exports = {
    add: add,
    subtract: subtract
  };
  
  //或者更简洁的写法
  exports.multiply = (a, b) => a * b; //注意，直接用 exports 赋值是不行的，会被覆盖
  exports.divide = (a, b) => a / b;

  • module.exports：是一个对象，你可以把任何你想导出的东西都放到这个对象上。
  • exports：是 module.exports 的一个引用。你可以使用 exports 来添加属性，但不能直接给 exports 赋值。如果你直接赋值，就会切断 exports 和 module.exports 之间的联系，导致导出的模块为空。

• 引入模块：

  // main.js
  const moduleA = require('./moduleA'); // 注意：路径可以是相对路径或绝对路径
  
  console.log(moduleA.add(2, 3)); // 输出: 5
  console.log(moduleA.subtract(5, 2)); // 输出: 3
  console.log(moduleA.multiply(2, 3)); // 输出: 6
  console.log(moduleA.divide(6, 2)); // 输出: 3

  • require 函数：接受一个模块路径作为参数，返回该模块导出的对象。
  • 模块路径：可以是相对路径（相对于当前文件）或绝对路径。如果省略文件扩展名，Node.js 会依次尝试 .js、.json 和 .node。

1.2 CommonJS 的加载机制

CommonJS 使用同步加载的方式。这意味着，当 require 函数被调用时，Node.js 会立即加载并执行模块代码。只有在模块加载完成后，才会继续执行后面的代码。

这个同步加载的机制，在服务器端环境（Node.js）表现良好，因为服务器端文件系统访问速度快。但是在浏览器端，同步加载会阻塞页面的渲染，影响用户体验。

• 加载流程：

  1. 当 require 函数被调用时，Node.js 会解析模块路径。
  2. 如果模块已经被加载过，则直接从缓存中返回模块的导出对象。
  3. 如果模块尚未被加载，Node.js 会读取模块文件，并使用 module.exports 和 exports 创建一个模块上下文。
  4. 执行模块代码，模块代码可以修改 module.exports 对象。
  5. 将 module.exports 对象缓存起来，并返回给调用者。

• 缓存机制：

  CommonJS 模块具有缓存机制。这意味着，如果一个模块被多次 require，Node.js 只会加载并执行一次。后面的 require 调用会直接从缓存中返回模块的导出对象。

  // moduleB.js
  console.log('moduleB 被加载了');
  module.exports = { value: Math.random() };
  
  // main.js
  const moduleB1 = require('./moduleB');
  const moduleB2 = require('./moduleB');
  
  console.log(moduleB1.value);
  console.log(moduleB2.value); // moduleB1.value 和 moduleB2.value 的值相同

  上面的代码中，moduleB.js 只会被加载一次，moduleB1.value 和 moduleB2.value 的值相同。

1.3 CommonJS 的特点

• 同步加载： 使用 require 函数同步加载模块。
• 动态 require： 可以在代码的任何地方使用 require 函数。
• 模块缓存： 模块只会被加载一次。
• 适用场景： 主要用于服务器端环境（Node.js）。

第二部分：ES Modules

ES Modules 是 ECMAScript 标准定义的模块化规范。它使用 import 和 export 关键字来导入和导出模块。ES Modules 是 JavaScript 官方的模块化方案，也是未来发展的趋势。

2.1 ES Modules 的语法

• 导出模块：

  // moduleC.js
  const add = (a, b) => a + b;
  const subtract = (a, b) => a - b;
  
  export { add, subtract }; // 导出多个变量
  
  export const multiply = (a, b) => a * b; // 直接导出变量
  
  const divide = (a, b) => a / b;
  export default divide; // 默认导出，一个模块只能有一个 default 导出

  • export 关键字：用于导出模块中的变量、函数或类。
  • export default：用于导出模块的默认值。一个模块只能有一个默认导出。

• 引入模块：

  // main.js
  import { add, subtract, multiply } from './moduleC.js'; // 导入多个变量
  import divide from './moduleC.js'; // 导入默认导出
  import * as moduleC from './moduleC.js'; // 导入所有导出，放入 moduleC 对象中
  
  console.log(add(2, 3)); // 输出: 5
  console.log(subtract(5, 2)); // 输出: 3
  console.log(multiply(2, 3)); // 输出: 6
  console.log(divide(6, 2)); // 输出: 3
  
  console.log(moduleC.add(2, 3)); // 输出: 5

  • import 关键字：用于导入其他模块导出的变量、函数或类。
  • from 关键字：指定模块的路径。

2.2 ES Modules 的加载机制

ES Modules 使用异步加载的方式。这意味着，当 import 语句被执行时，JavaScript 引擎会异步地加载模块代码。在模块加载完成之前，后面的代码可以继续执行。这种异步加载的机制，非常适合浏览器端环境，可以避免阻塞页面的渲染。

• 加载流程：

  1. 当 import 语句被执行时，JavaScript 引擎会解析模块路径。
  2. 如果模块已经被加载过，则直接从模块环境中返回模块的导出对象。
  3. 如果模块尚未被加载，JavaScript 引擎会异步地加载模块文件。
  4. 在模块加载完成后，JavaScript 引擎会解析模块代码，并创建模块环境。
  5. 执行模块代码，模块代码可以定义和导出变量、函数或类。
  6. 将模块环境缓存起来，并返回给调用者。

• 静态分析：

  ES Modules 支持静态分析。这意味着，JavaScript 引擎可以在代码执行之前，分析模块的依赖关系。这使得 JavaScript 引擎可以进行一些优化，例如：

  • 死代码消除： 移除未使用的代码。
  • 模块合并： 将多个模块合并成一个文件，减少 HTTP 请求。
  • 提前编译： 在代码执行之前，将模块编译成机器码，提高执行效率。

2.3 ES Modules 的特点

• 异步加载： 使用 import 语句异步加载模块。
• 静态分析： 支持静态分析，可以进行代码优化。
• 模块环境： 每个模块都有自己的环境，避免全局变量污染。
• 适用场景： 适用于浏览器端和服务器端环境。

2.4 在 Node.js 中使用 ES Modules

在 Node.js 中使用 ES Modules 需要做一些配置。

• 文件扩展名： 将文件扩展名改为 .mjs 或在 package.json 中设置 "type": "module"。

  // package.json
  {
    "type": "module"
  }

• 导入语句： 使用 import 语句导入模块。

  // main.mjs
  import { add } from './moduleC.js';
  
  console.log(add(2, 3)); // 输出: 5

第三部分：CommonJS vs ES Modules：对比分析

为了更清晰地了解 CommonJS 和 ES Modules 的区别，咱们来做一个对比表格：

特性	CommonJS	ES Modules
语法	require, module.exports	import, export
加载方式	同步加载	异步加载
静态分析	不支持	支持
模块缓存	支持	支持
适用场景	服务器端（Node.js）	浏览器端和服务器端
动态导入	支持 require动态调用	支持 import() 函数动态调用
循环依赖处理	相对复杂	更优雅，但仍需注意

3.1 动态导入

• CommonJS:

  CommonJS 通过在运行时调用 require() 来实现动态导入。

  // 动态加载 moduleD
  if (someCondition) {
    const moduleD = require('./moduleD');
    moduleD.doSomething();
  }

• ES Modules:

  ES Modules 使用 import() 函数实现动态导入。import() 返回一个 Promise，允许异步加载模块。

  // 动态加载 moduleE
  if (someCondition) {
    import('./moduleE.js')
      .then(moduleE => {
        moduleE.default.doSomething(); // 如果 moduleE 有 default export
      })
      .catch(err => {
        console.error("Failed to load moduleE", err);
      });
  }

  import() 函数的优点：

  • 异步加载： 不会阻塞主线程。
  • 条件加载： 可以根据条件动态加载模块。
  • 代码分割： 可以将代码分割成多个模块，按需加载，提高页面加载速度。

3.2 循环依赖

循环依赖是指两个或多个模块之间相互依赖的情况。例如，moduleA 依赖 moduleB，而 moduleB 又依赖 moduleA。

• CommonJS:

  CommonJS 在处理循环依赖时，会先执行其中一个模块，然后执行另一个模块。如果模块在被 require 的时候还没有完全加载，可能会导致一些问题。CommonJS通常导出的是已执行部分的结果，可能是不完整的，取决于代码的执行顺序。

  // moduleF.js
  console.log('moduleF starting');
  exports.loaded = false;
  const moduleG = require('./moduleG');
  module.exports = {
    loaded: true,
    moduleGLoaded: moduleG.loaded
  };
  console.log('moduleF done');
  
  // moduleG.js
  console.log('moduleG starting');
  exports.loaded = false;
  const moduleF = require('./moduleF');
  module.exports = {
    loaded: true,
    moduleFLoaded: moduleF.loaded
  };
  console.log('moduleG done');
  
  // main.js
  const moduleF = require('./moduleF');
  const moduleG = require('./moduleG');
  console.log('moduleF.loaded', moduleF.loaded); // true
  console.log('moduleG.loaded', moduleG.loaded); // true
  console.log('moduleF.moduleGLoaded', moduleF.moduleGLoaded); // false
  console.log('moduleG.moduleFLoaded', moduleG.moduleFLoaded); // false

  在这个例子中，由于循环依赖，moduleF.moduleGLoaded 和 moduleG.moduleFLoaded 的值都是 false，因为在 moduleF 和 moduleG 被加载的时候，对方还没有完成加载。

• ES Modules:

  ES Modules 在处理循环依赖时，会使用“实时绑定”的概念。这意味着，即使模块在被 import 的时候还没有完全加载，也可以访问到模块的导出。但是，如果访问的变量尚未初始化，可能会得到 undefined。ES Modules通常导出的是变量的引用，即使在循环依赖时，变量的更新也能反映到所有模块中。

  // moduleH.mjs
  console.log('moduleH starting');
  export let loaded = false;
  import * as moduleI from './moduleI.mjs';
  export const moduleILoaded = moduleI.loaded;
  loaded = true;
  console.log('moduleH done');
  
  // moduleI.mjs
  console.log('moduleI starting');
  export let loaded = false;
  import * as moduleH from './moduleH.mjs';
  export const moduleHLoaded = moduleH.loaded;
  loaded = true;
  console.log('moduleI done');
  
  // main.mjs
  import * as moduleH from './moduleH.mjs';
  import * as moduleI from './moduleI.mjs';
  console.log('moduleH.loaded', moduleH.loaded); // true
  console.log('moduleI.loaded', moduleI.loaded); // true
  console.log('moduleH.moduleILoaded', moduleH.moduleILoaded); // true
  console.log('moduleI.moduleHLoaded', moduleI.moduleHLoaded); // true

  在这个例子中，由于 ES Modules 的实时绑定，moduleH.moduleILoaded 和 moduleI.moduleHLoaded 的值都是 true。

  总结：

  虽然 ES Modules 在处理循环依赖方面更优雅，但是仍然需要注意避免循环依赖，因为循环依赖可能会导致代码难以理解和维护。最好的做法是重新设计模块的结构，消除循环依赖。

第四部分：实际应用中的选择

那么，在实际项目中，我们应该选择 CommonJS 还是 ES Modules 呢？

• 老项目： 如果你的项目已经使用了 CommonJS，并且运行良好，那么没有必要迁移到 ES Modules。
• 新项目： 如果你正在创建一个新项目，建议使用 ES Modules。ES Modules 是 JavaScript 官方的模块化方案，也是未来发展的趋势。
• 前后端同构项目： 如果你的项目需要在浏览器端和服务器端运行，那么使用 ES Modules 是一个不错的选择。ES Modules 可以同时在浏览器端和服务器端使用，方便代码的重用。

第五部分：总结

今天咱们一起学习了 Node.js 中 CommonJS 模块和 ES Modules 的区别。CommonJS 使用 require 和 module.exports，采用同步加载；ES Modules 使用 import 和 export，采用异步加载。ES Modules 是 JavaScript 官方的模块化方案，也是未来发展的趋势。

希望今天的讲座对你有所帮助！记住，选择合适的模块化方案，可以让你编写更清晰、更易于维护的代码。下次再见！