JavaScript 模块化现状

原文链接：The state of JavaScript modules

ESM, CJS, UMD, AMD — 到底应该选择哪一个？

最近 在 twitter 上有很多关于 ES Module 现状的讨论，尤其是在 Node.js 上，他们计划引入新的文件扩展名 *.mjs。人们有足够理由对此感到 担忧和不确定，因为这个话题异常复杂，接下来会尽力阐述清楚问题。

来自远古的恐惧

大多数前端开发者应该还记得 Javascript 依赖管理的黑暗时期。那个时候，你需要把一个库复制粘贴到 vendor 文件夹，然后作为一个全局变量引入，要自己去按次序组合所有东西，可能还要管理命名空间。

在过去的那些年，我们能深刻体会到公共模块格式化和中央模块管理的价值。

在今天，不管是发布还是使用一个库都要容易得多，只需要使用 npm publish 和 npm install 命令就行。这就是人们会那么紧张两种模块系统兼容性问题的原因：他们不想失去已有的舒适区。

接下来我会解释和总结现有实现的情况，以及为什么 Node 生态迁移到 ES Module（ESM）会那么难。在最后，总结这些变化对 webpack 使用者和模块作者有什么影响。

现有实现

目前，ESM 有三种方式的实现：

• 浏览器
• webpack 以及类似的构建工具
• Node（未完成，但可能在年底作为一个实验功能）

为了更好地理解现在的讨论，首先要知道 ES2015 包含两种模式：

• script 用于具有全局命名空间的常规脚本
• module 用于具有明确导入和导出的模块化代码

如果你试图在 script 标签使用 import 或者 export 语句，会抛出一个 SyntaxError。这种语句在全局环境下没有任何意义。另一方面，module 模式即意味着严格模式，禁止使用某些语言特性，比如 with 语句。因此，需要在脚本被解析和执行之前定义模式。

浏览器中的 ESM

截至到 2017 年 5 月，所有主流浏览器都开始做了 ESM 的实现工作。不过，大部分仍处于在实验性质。这里不会做详细介绍，因为 Jake Archibald 已经写了一篇很厉害的文章。

除了一些小的困难，在浏览器中实现起来非常容易，因为以前并没有模块系统。想要指定 module 模式，需要在 script 标签添加 type="module" 属性，如下所示：

<script type="module" src="main.js"></script>

在一个模块中，现在只能使用有效的 URL 作为模块标识符。模块标识符是用于 require 或 import 其他模块的字符串。为了确保未来兼容 CJS 模块标识符，“纯” 导入标识符（如 import "lodash"）现在还不支持。模块标识符必须是绝对 URL 或者是以 /， ./, ../ 开头：

// Supported:
import {foo} from 'https://jakearchibald.com/utils/bar.js';
import {foo} from '/utils/bar.js';
import {foo} from './bar.js';
import {foo} from '../bar.js';

// Not supported:
import {foo} from 'bar.js';
import {foo} from 'utils/bar.js';
// Example from https://jakearchibald.com/2017/es-modules-in-browsers/

同样需要注意的是，一旦处在一个模块中，每个导入也将被解析为 module，而且没有办法 import 一个 script。

ESM 与 webpack

类似 webpack 这样的构建工具通常会尝试用 module 模式解析代码，有问题再切回到 script 模式。这些工具最终会生成一段 script，通常是在一定程度上模拟 CJS 和 ESM 行为的模块运行时。

我们以这两个简单的 ESM 为例：

// a.js
export let number = 42;
export function incr() {
    number++;
}

// test.js
import { number } from "./a";

console.log(number);

webpack 使用函数包装器封装模块范围和对象引用来模拟 ESM 实时绑定。每次编译，还包括一个模块运行时，负责引导和缓存模块。此外，将模块标识转换为数字模块 ID。这样可以减少打包的大小和引导时间。

这是什么意思呢？我们来看看编译输出：

(function(modules) {
    // This is the module runtime.
    // It's only included once per compilation.
    // Other chunks share the same runtime.
    var installedModules = {};
    // The require function
    function __webpack_require__(moduleId) {
        ...
    }
    ...
    // Load entry module and return exports
    return __webpack_require__(__webpack_require__.s = 1);
})
([ // An array that maps module ids to functions
    // a.js as module id 0
    function (module, __webpack_exports__, __webpack_require__) {
        "use strict";
        Object.defineProperty(__webpack_exports__, "a", {
            configurable: false,
            enumerable: true,
            get: () => number
        });

        let number = 42;

        function incr() {
            number++;
        }
    },
    // test.js as module id 1
    function (module, __webpack_exports__, __webpack_require__) {
        "use strict";
        var __WEBPACK_IMPORTED_MODULE_0__a__ = __webpack_require__(0);

        // Object reference as "live binding"
        console.log(__WEBPACK_IMPORTED_MODULE_0__a__["a" /* number */]);
    }
]);

简化的 webpack 输出，模拟 ES Modules 行为

结果已经简化并删除了一些与此示例无关的代码。你会发现，webpack 在 exports 对象上将所有 export 语句替换成 Object.defineProperty，并使用属性访问器替换对引入值的所有引用。还要注意每个 ESM 开始时的 "use strict" 指令，这是由 webpack 自动添加，在 ESM 中必须是严格模式。

这种实现只是模拟，因为它试图模仿 ESM 和 CJS 的行为 -- 但不是与其完全保持一致。比如，这种模拟并不符合某些边缘情况。看下面这个模块：

console.log(this);

如果你通过加上 babel-preset-es2015 的 Babel 来运行，结果是：

"use strict";
console.log(undefined);

从输出结果可以看出，Babel 假设默认是 ESM，因为 module 模式即代表严格模式，在严格模式下会将 this 初始化为 undefined。

然而，使用 webpack，结果是：

(function(module, exports) {

console.log(this);

})

在引导模块时，this 将指向 exports ，与 Node.js 使用的 CJS 行为一致。这是因为语法上不确定是 script 还是 module，解析器无法判断该模块是 ESM 还是 CJS。在不明确的时候，webpack 会模拟 CJS，因为它仍然是最受欢迎的模块风格。

这种模拟其实已经包含了很多情况，因为模块作者通常会避免这种代码。然而，“很多情况”对于像 Node.js 这样的平台是不够的，因为它需要保证所有有效的 JavaScript 代码都能正常运行。

Node.js 中的 ESM

Node.js 在执行 ESM 时遇到了麻烦，因为仍然需要支持 CJS，语法看起来相似，但运行时行为完全不同。Node.js 核心技术委员会（CTC）成员 James M Snell 撰写了一篇很好的文章来解释 CJS 与 ESM 之间的差异。

归结起来，CJS 是一个动态模块系统，ESM 是静态模块系统。

CJS

• 允许动态同步 require()
• 导出仅在模块执行后才知道
• 导出可以在模块初始化后添加，替换和删除

ESM

• 只允许静态同步 import
• 在模块执行之前，导入和导出已经关联
• 导入和导出是不可变的

由于 CJS 早于 ES2015，所以一直在 script 模式下解析，封装通过使用函数包装器实现。在 Node.js 中加载 CJS，实际上会执行与此类似的代码：

const module = {
    exports: {}
};
const require = makeRequireFunction();
const filename = "...";
const dirname = "...";
(function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
/* YOUR CODE */
})(module.exports, require, module, filename, dirname);

对 Node.js 的 CommonJS 模块的简单函数包装

问题出现了，将两个模块系统集成到同一个运行时时，ESM 和 CJS 之间的循环依赖可能会迅速导致类似死锁的情况。

而且，由于现有 CJS 模块数量庞大，也不能直接放弃对 CJS 的支持。为了避免 Node.js 生态的中断，有两点已经很明显：

• 现有的 CJS 代码必须以相同的方式继续工作
• 两个模块系统都必须同时且尽可能无缝地工作

目前的权衡

2017 年 3 月，经过几个月的讨论，CTC 终于找到了一种解决问题的办法。由于在 ES 规范和引擎不改变的情况下无法进行无缝集成，CTC 决定开始一些权衡之后的实现工作：

1.ESM 必须是 *.mjs 文件扩展名

这是由于上面提及的模糊语法问题，无法通过解析来确切知晓 JavaScript 代码是什么类型。为了 Node.js 向后兼容的目标，作者需要加入一种新模式。已经有关于各种替代品的讨论，但使用不同文件扩展名是解决目前问题的最佳权衡。

2.CJS 只能异步导入 ESM import()

Node.js 将异步加载 ESM，以便尽可能接近浏览器的行为。因此，同步的 require() 在 ESM 是不可能的，并且依赖于 ESM 的每个功能都需要异步：

const driverPromise = import("dbdriver");

exports.readFromDb = async (query) => {
   return (await driverPromise).read(query);
};

3. CJS 向 ESM 暴露一个不可变的默认导出

使用 Babel 或 Webpack，我们通常将 CJS 重构为 ESM，如下所示：

// CJS
const { a, b } = require("c");
// ESM
import { a, b } from "c";

再一次地，他们的语法看起来很相似，但忽略了 CJS 中没有命名导出的事实。只有一个叫做 default 的导出，等同于在 CJS 模块完成计算后一个不可变的 module.exports 。从技术上讲，有可能将 module.exports 解构成命名导入，但这需要对标准作更大的变更。这就是现在 CTC 决定采取这种方式的原因。

4.模块范围的变量类似 module，require 以及 __filename 在 ESM 不存在

Node.js 和浏览器会实现一些 ESM 的特性，但标准化过程仍在进行中。

鉴于将 CJS 和 ESM 集成到一个运行时的工程挑战，CTC 在评估边缘情况和权衡方面做了非常好的工作。比如使用不同的文件扩展名是就是一个很简单的解决方案。

实际上，一个文件扩展名可以认为是一个二进制文件如何解释的提示。如果一个 module 不是 script，我们应该使用不同的文件扩展名。其他工具（如 linter 或 IDE ）也可以获取相同信息。

当然，引入新的文件扩展名有成本，但是一旦服务器和其他应用程序确认 *.mjs 为JavaScript，我们很快就会忘记这个争议。

将 * .mjs 作为 Node.js 的 Python 3？

考虑到所有这些限制，人们可能会问，这种过渡将对现在的生态造成什么样的损害。虽然 CTC 会努力解决问题，但社区如何采用这一点仍然存在很大不确定性。这种不确定性 被众多知名的 NPM 模块作者 再次强调，他们声称将不会在模块中使用 *.mjs。

Python 3 is killing Python

很难预测社区如何反应，但是应该不会对现在的生态造成大破坏，甚至能看到从 CJS 平稳过渡到 ESM。主要有两个原因：

1.与 CJS 严格向后兼容

那些不喜欢 ESM 的模块作者可以继续使用 CJS，保证自己不被排挤出局。这样他们自己的代码不会受到采用 ESM 的影响，降低迁移到另一个运行时的可能性，让 NPM 迁移到新生态变得容易。从 CJS 到 ESM 的重构给包维护者带来额外工作，不能指望所有人都有时间。

2. CJS 在 ESM 中的无缝整合

从 ESM 导入 CJS 模块非常简单。需要注意的是，CJS 仅导出一个默认值。一旦处于 ESM，甚至可能根本不会注意到依赖关系使用的模块风格，尤其是与在 CJS 中使用 await import()相比。

由于 ESM 的这个优点以及其他有点，比如开箱即用的 tree shaking 和浏览器兼容性，预计在未来几年内，我们可以看到向 ESM 的缓慢而稳定的过渡。CJS 的特性，如动态 require() 和猴子补丁导出，在 Node.js 社区一直是有争议的，不比 ESM 带来的好处。

这些对我来说意味着什么？

因为最近这些事情，很容易对目前存在的所有选择和限制感到困惑。在接下来，整理了开发人员面临的典型问题以及我们的回答：

现在需要重构现有的代码吗？

不需要。Node.js 才刚刚开始实现 ESM，仍然有大量的工作要做。James M Snell 预计至少还需要一年时间，还有很多变化的余地，所以现在重构是不安全的。

应该在新代码中使用 ESM 吗？

• 如果你已经有或者打算使用像 webpack 这样的构建工具，答案是肯定的。这将更容易完成代码库的过渡，并使 tree shaking 成为可能。但要小心：一旦 Node.js 支持原生 ESM，可能需要重构其中的一些部分。
• 如果你正在编写一个库，答案是也肯定的，你的模块使用者将受益于 tree shaking。
• 如果你不想进行构建操作，或者正在编写一个 Node.js 应用程序，还是用 CJS 吧。

现在应该使用 .mjs 吗？

不要这样做，目前没有什么好处，工具支持依然薄弱。建议一旦原生 ESM 支持登陆 Node.js，尽快开始迁移。记住，浏览器只关心 MIME 类型，而不是文件扩展名。

应该关心浏览器兼容性吗？

是的，需要在一定程度上关注这个问题。 不应该在导入语句中省略 .js 扩展名，因为浏览器需要完整的 URL，无法像 Node.js 这样执行路径查询。同样，应该避免 index.js 文件。不过，人们并不会很快在浏览器中使用 NPM 软件包，因为仍然不能 bare 导入。

作为库作者该怎么办？

用 ESM 编写代码，并使用 Rollup 或 Webpack 转换成单个 CJS 模块，然后在 package.json 将 main 字段指向此 CJS 包，并将 module 字段指向原始 ESM。如果还使用 ESM 之外的其他新语言功能，则应编译成 ES5，并提供 CJS 和 ESM 的打包。这样，你的库用户仍然可以从 tree shaking 获利而无需对代码进行转换。

看一下这些完成 tree shaking 的模块

总结

关于 ES 模块有很多不确定性。由于目前 Node.js 在实现上的权衡，开发人员担心可能会破坏 Node.js 的生态。

这些还不会发生，有两个原因：CJS 的严格的后向兼容和 CJS 在 ESM 中的无缝集成。

在 Node.js 发布原生 ESM 支持之前，应该仍然使用 Rollup 和 Webpack 等工具。它们在一定程度上模拟了 ESM 环境，但要注意它们不完全符合规范。此外，使用打包仍然是个很好的选择，一旦可以在浏览器中使用 NPM 软件包。

我们 webpack 团队正在努力做一些工作，帮助开发者平稳过渡。为了这个目标，我们计划在 Node.js 的 ESM 支持成熟后，模拟 Node.js 导入 CJS 的方式。