JavaScript modulių revoliucija: išsami šaltinio fazės importavimų analizė

JavaScript ekosistema nuolat evoliucionuoja. Nuo kuklios pradžios, kai tai buvo paprasta scenarijų kalba naršyklėms, ji išaugo į pasaulinę galią, valdančią viską – nuo sudėtingų interneto programų iki serverių infrastruktūros. Šios evoliucijos kertinis akmuo buvo modulių sistemos, ES modulių (ESM), standartizavimas. Tačiau, net ir ESM tapus universaliu standartu, iškilo naujų iššūkių, plečiančių galimybių ribas. Tai lėmė naują, jaudinantį ir potencialiai transformuojantį TC39 pasiūlymą: šaltinio fazės importavimus (Source Phase Imports).

Šis pasiūlymas, šiuo metu skinantis kelią standartų link, reiškia fundamentalų pokytį, kaip JavaScript gali tvarkyti priklausomybes. Jis įveda „kūrimo laiko“ arba „šaltinio fazės“ koncepciją tiesiai į kalbą, leidžiančią programuotojams importuoti modulius, kurie vykdomi tik kompiliavimo metu ir daro įtaką galutiniam vykdymo laiko kodui, niekada netapdami jo dalimi. Tai atveria duris tokioms galingoms funkcijoms kaip natūralios makrokomandos, nulinės kainos tipo abstrakcijos ir supaprastintas kūrimo laiko kodo generavimas – visa tai standartizuotoje ir saugioje sistemoje.

Programuotojams visame pasaulyje šio pasiūlymo supratimas yra raktas į pasirengimą kitai inovacijų bangai JavaScript įrankių, karkasų ir programų architektūros srityse. Šis išsamus vadovas išnagrinės, kas yra šaltinio fazės importavimai, kokias problemas jie sprendžia, jų praktinio pritaikymo pavyzdžius ir didžiulį poveikį, kurį jie turės visai pasaulinei JavaScript bendruomenei.

Trumpa JavaScript modulių istorija: kelias į ESM

Norint įvertinti šaltinio fazės importavimų reikšmę, pirmiausia turime suprasti JavaScript modulių kelionę. Didžiąją savo istorijos dalį JavaScript neturėjo natūralios modulių sistemos, o tai lėmė kūrybiškų, bet fragmentuotų sprendimų periodą.

Globalių kintamųjų ir IIFE era

Iš pradžių programuotojai tvarkė priklausomybes įkeldami kelias <script> žymas HTML faile. Tai teršė globalią vardų sritį (window objektą naršyklėse), sukeldavo kintamųjų susidūrimus, nenuspėjamą įkėlimo tvarką ir priežiūros košmarą. Įprastas būdas tai sušvelninti buvo iš karto iškviečiama funkcijos išraiška (IIFE), kuri sukurdavo privačią sritį scenarijaus kintamiesiems, neleidžiant jiems patekti į globalią sritį.

Bendruomenės standartų iškilimas

Programoms tampant vis sudėtingesnėms, bendruomenė sukūrė patikimesnius sprendimus:

• CommonJS (CJS): Išpopuliarintas Node.js, CJS naudoja sinchroninę require() funkciją ir exports objektą. Jis buvo sukurtas serveriui, kur modulių skaitymas iš failų sistemos yra greita, blokuojanti operacija. Dėl savo sinchroniškumo jis buvo mažiau tinkamas naršyklei, kur tinklo užklausos yra asinchroninės.
• Asinchroninis modulių apibrėžimas (AMD): Sukurtas naršyklei, AMD (ir populiariausias jo įgyvendinimas, RequireJS) modulius įkeldavo asinchroniškai. Jo sintaksė buvo išsamesnė nei CommonJS, bet išsprendė tinklo delsos problemą kliento pusės programose.

Standartizavimas: ES moduliai (ESM)

Galiausiai, ECMAScript 2015 (ES6) pristatė natūralią, standartizuotą modulių sistemą: ES modulius. ESM sujungė geriausias abiejų pasaulių savybes su švaria, deklaratyvia sintakse (import ir export), kurią galima statiškai analizuoti. Ši statinė prigimtis leidžia tokiems įrankiams kaip paketų kūrimo įrankiai (bundlers) atlikti optimizacijas, pavyzdžiui, „tree-shaking“ (nepanaudoto kodo šalinimą), dar prieš kodo vykdymą. ESM yra sukurta būti asinchroniška ir dabar yra universalus standartas tiek naršyklėse, tiek Node.js, suvienijantis susiskaldžiusią ekosistemą.

Šiuolaikinių ES modulių paslėpti apribojimai

ESM yra didžiulė sėkmė, tačiau jo dizainas sutelktas išskirtinai į vykdymo laiko elgseną. import sakinys reiškia priklausomybę, kurią reikia gauti, išanalizuoti ir įvykdyti programos veikimo metu. Šis į vykdymo laiką orientuotas modelis, nors ir galingas, sukuria keletą iššūkių, kuriuos ekosistema sprendė išoriniais, nestandartiniais įrankiais.

1 problema: Kūrimo laiko priklausomybių plitimas

Šiuolaikinis interneto svetainių kūrimas labai priklauso nuo kūrimo (build) etapo. Mes naudojame tokius įrankius kaip TypeScript, Babel, Vite, Webpack ir PostCSS, kad paverstume savo šaltinio kodą optimizuotu formatu produkcijai. Šis procesas apima daugybę priklausomybių, kurios reikalingos tik kūrimo, o ne vykdymo metu.

Apsvarstykite TypeScript. Kai rašote import { type User } from './types', jūs importuojate esybę, kuri neturi atitikmens vykdymo metu. TypeScript kompiliatorius kompiliavimo metu pašalins šį importavimą ir tipo informaciją. Tačiau JavaScript modulių sistemos požiūriu, tai tiesiog dar vienas importavimas. Paketų kūrimo įrankiai ir varikliai turi turėti specialią logiką, kad apdorotų ir atmestų šiuos „tik tipo“ importavimus – sprendimas, kuris egzistuoja už JavaScript kalbos specifikacijos ribų.

2 problema: Nulinės kainos abstrakcijų paieška

Nulinės kainos abstrakcija – tai funkcija, kuri suteikia aukšto lygio patogumą kūrimo metu, bet kompiliuojama į itin efektyvų kodą be jokios pridėtinės naštos vykdymo metu. Puikus pavyzdys yra validavimo biblioteka. Galite parašyti:

validate(userSchema, userData);

Vykdymo metu tai apima funkcijos iškvietimą ir validavimo logikos vykdymą. O kas, jei kalba galėtų kūrimo metu išanalizuoti schemą ir sugeneruoti labai specifinį, įterptinį (inlined) validavimo kodą, pašalinant bendrinį `validate` funkcijos iškvietimą ir schemos objektą iš galutinio paketo? Šiuo metu tai neįmanoma padaryti standartizuotu būdu. Visa `validate` funkcija ir `userSchema` objektas turi būti siunčiami klientui, net jei validavimas galėjo būti atliktas arba iš anksto sukompiliuotas kitaip.

3 problema: Standartizuotų makrokomandų nebuvimas

Makrokomandos (macros) yra galinga funkcija tokiose kalbose kaip Rust, Lisp ir Swift. Iš esmės tai yra kodas, kuris rašo kodą kompiliavimo metu. JavaScript mes imituojame makrokomandas naudodami tokius įrankius kaip Babel įskiepiai ar SWC transformacijos. Labiausiai paplitęs pavyzdys yra JSX:

const element = <h1>Sveikas, Pasauli</h1>;

Tai nėra galiojantis JavaScript. Kūrimo įrankis jį paverčia į:

const element = React.createElement('h1', null, 'Sveikas, Pasauli');

Ši transformacija yra galinga, bet visiškai priklauso nuo išorinių įrankių. Nėra natūralaus, kalboje integruoto būdo apibrėžti funkciją, kuri atliktų tokio tipo sintaksės transformaciją. Šis standartizacijos trūkumas lemia sudėtingą ir dažnai trapią įrankių grandinę.

Pristatome šaltinio fazės importavimus: paradigmos pokytis

Šaltinio fazės importavimai yra tiesioginis atsakymas į šiuos apribojimus. Pasiūlymas pristato naują importavimo deklaracijos sintaksę, kuri aiškiai atskiria kūrimo laiko priklausomybes nuo vykdymo laiko priklausomybių.

Naujoji sintaksė yra paprasta ir intuityvi: import source.

import { MyType } from './types.js'; // Standartinis, vykdymo laiko importavimas
import source { MyMacro } from './macros.js'; // Naujas, šaltinio fazės importavimas

Pagrindinė koncepcija: fazių atskyrimas

Pagrindinė idėja yra formalizuoti dvi skirtingas kodo vertinimo fazes:

1. Šaltinio fazė (kūrimo laikas): Ši fazė vyksta pirma, ją tvarko JavaScript „šeimininkas“ (host) (pvz., paketų kūrimo įrankis, vykdymo aplinka kaip Node.js ar Deno, arba naršyklės kūrimo/kompiliavimo aplinka). Šios fazės metu „šeimininkas“ ieško import source deklaracijų. Tada jis įkelia ir įvykdo šiuos modulius specialioje, izoliuotoje aplinkoje. Šie moduliai gali tikrinti ir transformuoti juos importuojančių modulių šaltinio kodą.
2. Vykdymo fazė (vykdymo laikas): Tai fazė, su kuria mes visi esame susipažinę. JavaScript variklis vykdo galutinį, potencialiai transformuotą kodą. Visi moduliai, importuoti per import source, ir juos naudojęs kodas visiškai dingsta; jie nepalieka jokių pėdsakų vykdymo laiko modulių grafe.

Pagalvokite apie tai kaip apie standartizuotą, saugų ir modulius suprantantį pirminį procesorių (preprocessor), integruotą tiesiai į kalbos specifikaciją. Tai ne tik teksto pakeitimas kaip C pirminiame procesoriuje; tai giliai integruota sistema, galinti dirbti su JavaScript struktūra, pavyzdžiui, abstrakčiosios sintaksės medžiais (AST).

Pagrindiniai naudojimo atvejai ir praktiniai pavyzdžiai

Tikroji šaltinio fazės importavimų galia atsiskleidžia, kai pažiūrime į problemas, kurias jie gali elegantiškai išspręsti. Panagrinėkime keletą paveikiausių naudojimo atvejų.

1 naudojimo atvejis: natūralios, nulinės kainos tipo anotacijos

Vienas iš pagrindinių šio pasiūlymo motyvų yra suteikti natūralią vietą tokioms tipų sistemoms kaip TypeScript ir Flow pačioje JavaScript kalboje. Šiuo metu `import type { ... }` yra specifinė TypeScript funkcija. Su šaltinio fazės importavimais tai tampa standartine kalbos konstrukcija.

Dabar (TypeScript):

// types.ts
export interface User {
id: number;
name: string;
}

// app.ts
import type { User } from './types';
const user: User = { id: 1, name: 'Alice' };

Ateityje (standartinis JavaScript):

// types.js
export interface User { /* ... */ } // Darant prielaidą, kad bus priimtas ir tipų sintaksės pasiūlymas

// app.js
import source { User } from './types.js';
const user: User = { id: 1, name: 'Alice' };

Nauda: import source sakinys aiškiai nurodo bet kuriam JavaScript įrankiui ar varikliui, kad ./types.js yra tik kūrimo laiko priklausomybė. Vykdymo laiko variklis niekada nebandys jo gauti ar analizuoti. Tai standartizuoja tipo informacijos pašalinimo (type erasure) koncepciją, paversdama ją oficialia kalbos dalimi ir supaprastindama paketų kūrimo įrankių, linterių ir kitų įrankių darbą.

2 naudojimo atvejis: galingos ir higieniškos makrokomandos

Makrokomandos yra labiausiai transformuojantis šaltinio fazės importavimų pritaikymas. Jos leidžia programuotojams išplėsti JavaScript sintaksę ir kurti galingas, specifinės srities kalbas (DSL) saugiu ir standartizuotu būdu.

Įsivaizduokime paprastą registravimo makrokomandą, kuri kūrimo metu automatiškai įtraukia failo pavadinimą ir eilutės numerį.

Makrokomandos apibrėžimas:

// macros.js
export function log(macroContext) {
// 'macroContext' suteiktų API, leidžiančias patikrinti iškvietimo vietą
const callSite = macroContext.getCallSiteInfo(); // pvz., { file: 'app.js', line: 5 }
const messageArgument = macroContext.getArgument(0); // Gaunamas pranešimo AST // Grąžinamas naujas AST console.log iškvietimui
return `console.log("[${callSite.file}:${callSite.line}]", ${messageArgument})`;
}

Makrokomandos naudojimas:

// app.js
import source { log } from './macros.js'; const value = 42;
log(`Reikšmė yra: ${value}`);

Sukompiliuotas vykdymo laiko kodas:

// app.js (po šaltinio fazės)
const value = 42;
console.log("[app.js:5]", `Reikšmė yra: ${value}`);

Nauda: Mes sukūrėme išraiškingesnę `log` funkciją, kuri įterpia kūrimo laiko informaciją tiesiai į vykdymo laiko kodą. Vykdymo metu nėra `log` funkcijos iškvietimo, tik tiesioginis `console.log`. Tai yra tikra nulinės kainos abstrakcija. Tas pats principas galėtų būti naudojamas įgyvendinti JSX, styled-components, internacionalizacijos (i18n) bibliotekas ir daug daugiau – visa tai be specialių Babel įskiepių.

3 naudojimo atvejis: integruotas kūrimo laiko kodo generavimas

Daugelis programų remiasi kodo generavimu iš kitų šaltinių, tokių kaip GraphQL schema, Protocol Buffers apibrėžimas ar net paprastas duomenų failas, pavyzdžiui, YAML ar JSON.

Įsivaizduokite, kad turite GraphQL schemą ir norite sugeneruoti optimizuotą klientą jai. Šiandien tam reikia išorinių CLI įrankių ir sudėtingos kūrimo konfigūracijos. Su šaltinio fazės importavimais tai galėtų tapti integruota jūsų modulių grafo dalimi.

Generatoriaus modulis:

// graphql-codegen.js
export function createClient(schemaText) {
// 1. Išanalizuoti schemaText
// 2. Sugeneruoti JavaScript kodą tipizuotam klientui
// 3. Grąžinti sugeneruotą kodą kaip eilutę
const generatedCode = `
export const client = {
query: { /* ... sugeneruoti metodai ... */ }
};
`;
return generatedCode;
}

Generatoriaus naudojimas:

// app.js
// 1. Importuoti schemą kaip tekstą naudojant importavimo tvirtinimus (Import Assertions - atskira funkcija)
import schema from './api.graphql' with { type: 'text' }; // 2. Importuoti kodo generatorių naudojant šaltinio fazės importavimą
import source { createClient } from './graphql-codegen.js'; // 3. Įvykdyti generatorių kūrimo metu ir įterpti jo išvestį
export const { client } = createClient(schema);

Nauda: Visas procesas yra deklaratyvus ir yra šaltinio kodo dalis. Išorinio kodo generatoriaus paleidimas nebėra atskiras, rankinis žingsnis. Jei `api.graphql` pasikeičia, kūrimo įrankis automatiškai žino, kad reikia iš naujo paleisti šaltinio fazę `app.js` failui. Tai daro kūrimo procesą paprastesnį, patikimesnį ir mažiau linkusį į klaidas.

Kaip tai veikia: šeimininkas, izoliuota aplinka ir fazės

Svarbu suprasti, kad pats JavaScript variklis (pvz., V8 Chrome naršyklėje ir Node.js) nevykdo šaltinio fazės. Atsakomybė tenka šeimininko aplinkai (host environment).

Šeimininko vaidmuo

Šeimininkas yra programa, kuri kompiliuoja arba vykdo JavaScript kodą. Tai galėtų būti:

• Paketų kūrimo įrankis (bundler), pvz., Vite, Webpack ar Parcel.
• Vykdymo aplinka, pvz., Node.js ar Deno.
• Netgi naršyklė galėtų veikti kaip šeimininkas kodui, vykdomam jos DevTools įrankiuose arba kūrimo serverio proceso metu.

Šeimininkas organizuoja dviejų fazių procesą:

1. Jis išanalizuoja kodą ir aptinka visas import source deklaracijas.
2. Jis sukuria izoliuotą, saugią aplinką (dažnai vadinamą „Realm“), skirtą specialiai šaltinio fazės modulių vykdymui.
3. Jis vykdo importuotų šaltinio modulių kodą šioje izoliuotoje aplinkoje. Šiems moduliams suteikiami specialūs API, leidžiantys sąveikauti su kodu, kurį jie transformuoja (pvz., AST manipuliavimo API).
4. Transformacijos pritaikomos, ir gaunamas galutinis vykdymo laiko kodas.
5. Šis galutinis kodas perduodamas įprastam JavaScript varikliui vykdymo fazei.

Saugumas ir izoliacija yra kritiškai svarbūs

Kodo vykdymas kūrimo metu kelia potencialias saugumo rizikas. Piktavališkas kūrimo laiko scenarijus galėtų bandyti pasiekti failų sistemą ar tinklą programuotojo kompiuteryje. Šaltinio fazės importavimo pasiūlymas skiria didelį dėmesį saugumui.

Šaltinio fazės kodas veikia labai apribotoje izoliuotoje aplinkoje. Pagal nutylėjimą jis neturi prieigos prie:

• Vietinės failų sistemos.
• Tinklo užklausų.
• Vykdymo laiko globalių kintamųjų, tokių kaip window ar process.

Bet kokios galimybės, pavyzdžiui, prieiga prie failų, turėtų būti aiškiai suteiktos šeimininko aplinkos, suteikiant vartotojui visišką kontrolę, ką kūrimo laiko scenarijams leidžiama daryti. Tai daro sistemą daug saugesnę nei dabartinė įskiepių ir scenarijų ekosistema, kuri dažnai turi visišką prieigą prie sistemos.

Pasaulinis poveikis JavaScript ekosistemai

Šaltinio fazės importavimų įvedimas sukels bangas visoje pasaulinėje JavaScript ekosistemoje, iš esmės pakeisdamas, kaip kuriame įrankius, karkasus ir programas.

Karkasų ir bibliotekų autoriams

Karkasai, tokie kaip React, Svelte, Vue ir Solid, galėtų pasinaudoti šaltinio fazės importavimais, kad jų kompiliatoriai taptų pačios kalbos dalimi. Svelte kompiliatorius, kuris paverčia Svelte komponentus optimizuotu vaniliniu JavaScript, galėtų būti įgyvendintas kaip makrokomanda. JSX galėtų tapti standartine makrokomanda, pašalinant poreikį kiekvienam įrankiui turėti savo individualų transformacijos įgyvendinimą.

CSS-in-JS bibliotekos galėtų atlikti visą stilių analizę ir statinių taisyklių generavimą kūrimo metu, pateikdamos minimalų arba net nulinį vykdymo laiko kodą, o tai lemtų reikšmingus našumo pagerinimus.

Įrankių kūrėjams

Vite, Webpack, esbuild ir kitų įrankių kūrėjams šis pasiūlymas suteikia galingą, standartizuotą plėtros tašką. Užuot rėmęsi sudėtingu įskiepių API, kuris skiriasi tarp įrankių, jie galės tiesiogiai prisijungti prie pačios kalbos kūrimo laiko fazės. Tai galėtų lemti vieningesnę ir sąveikesnę įrankių ekosistemą, kur vienam įrankiui parašyta makrokomanda veiktų be priekaištų kitame.

Programų kūrėjams

Milijonams programuotojų, kasdien rašančių JavaScript programas, nauda yra daugialypė:

• Paprastesnės kūrimo konfigūracijos: Mažesnė priklausomybė nuo sudėtingų įskiepių grandinių įprastoms užduotims, tokioms kaip TypeScript, JSX ar kodo generavimas.
• Pagerintas našumas: Tikros nulinės kainos abstrakcijos lems mažesnius paketų dydžius ir greitesnį vykdymą.
• Patobulinta kūrėjo patirtis: Galimybė kurti individualius, sričiai specifinius kalbos plėtinius atvers naujus išraiškingumo lygius ir sumažins pasikartojančio kodo kiekį.

Dabartinė būsena ir kelias į priekį

Šaltinio fazės importavimai yra pasiūlymas, kurį rengia TC39 – komitetas, standartizuojantis JavaScript. TC39 procesas turi keturis pagrindinius etapus, nuo 1 etapo (pasiūlymas) iki 4 etapo (baigtas ir paruoštas įtraukti į kalbą).

2023 m. pabaigoje „šaltinio fazės importavimų“ pasiūlymas (kartu su jo atitikmeniu, makrokomandomis) yra 2 etape. Tai reiškia, kad komitetas priėmė projektą ir aktyviai dirba prie išsamios specifikacijos. Pagrindinė sintaksė ir semantika yra didžiąja dalimi nusistovėjusios, ir tai yra etapas, kuriame skatinami pradiniai įgyvendinimai ir eksperimentai siekiant gauti grįžtamąjį ryšį.

Tai reiškia, kad šiandien negalite naudoti import source savo naršyklės ar Node.js projekte. Tačiau galime tikėtis, kad artimiausioje ateityje pasirodys eksperimentinis palaikymas pažangiausiuose kūrimo įrankiuose ir transpiliatoriuose, kai pasiūlymas bręs link 3 etapo. Geriausias būdas sekti naujienas – stebėti oficialius TC39 pasiūlymus GitHub platformoje.

Išvada: ateitis priklauso kūrimo laikui

Šaltinio fazės importavimai yra vienas reikšmingiausių architektūrinių pokyčių JavaScript istorijoje nuo ES modulių įvedimo. Sukurdamas formalų, standartizuotą atskyrimą tarp kūrimo ir vykdymo laiko, pasiūlymas užpildo esminę spragą kalboje. Jis suteikia galimybes, kurių programuotojai ilgai troško – makrokomandas, kompiliavimo laiko metaprogramavimą ir tikras nulinės kainos abstrakcijas – perkeldamas jas iš individualių, fragmentuotų įrankių srities į pačią JavaScript šerdį.

Tai daugiau nei tik nauja sintaksės dalis; tai naujas mąstymo būdas apie tai, kaip kuriame programinę įrangą su JavaScript. Tai suteikia programuotojams galią perkelti daugiau logikos iš vartotojo įrenginio į kūrėjo kompiuterį, todėl programos tampa ne tik galingesnės ir išraiškingesnės, bet ir greitesnės bei efektyvesnės. Pasiūlymui tęsiant kelionę standartizacijos link, visa pasaulinė JavaScript bendruomenė turėtų stebėti su nekantrumu. Nauja kūrimo laiko inovacijų era jau visai čia pat.