Fazy ładowania modułów JavaScript: Rozwiązywanie importów i wykonanie

Moduły JavaScript są fundamentalnym elementem nowoczesnego tworzenia stron internetowych. Pozwalają programistom organizować kod w reużywalne jednostki, poprawiać łatwość utrzymania i zwiększać wydajność aplikacji. Zrozumienie zawiłości ładowania modułów, w szczególności faz rozwiązywania importów i wykonania, jest kluczowe do pisania solidnych i wydajnych aplikacji JavaScript. Ten przewodnik przedstawia kompleksowy przegląd tych faz, obejmujący różne systemy modułów i praktyczne przykłady.

Wprowadzenie do modułów JavaScript

Zanim zagłębimy się w szczegóły rozwiązywania importów i wykonania, istotne jest zrozumienie koncepcji modułów JavaScript i tego, dlaczego są one ważne. Moduły rozwiązują kilka wyzwań związanych z tradycyjnym programowaniem w JavaScript, takich jak zanieczyszczanie globalnej przestrzeni nazw, organizacja kodu i zarządzanie zależnościami.

Korzyści z używania modułów

• Zarządzanie przestrzenią nazw: Moduły hermetyzują kod we własnym zakresie, zapobiegając kolizjom zmiennych i funkcji z tymi w innych modułach lub w zakresie globalnym. Zmniejsza to ryzyko konfliktów nazw i poprawia łatwość utrzymania kodu.
• Wielokrotne użycie kodu: Moduły można łatwo importować i ponownie wykorzystywać w różnych częściach aplikacji, a nawet w wielu projektach. Promuje to modularność kodu i zmniejsza redundancję.
• Zarządzanie zależnościami: Moduły jawnie deklarują swoje zależności od innych modułów, co ułatwia zrozumienie relacji między różnymi częściami bazy kodu. Upraszcza to zarządzanie zależnościami i zmniejsza ryzyko błędów spowodowanych brakującymi lub nieprawidłowymi zależnościami.
• Lepsza organizacja: Moduły pozwalają programistom organizować kod w logiczne jednostki, co ułatwia jego zrozumienie, nawigację i utrzymanie. Jest to szczególnie ważne w przypadku dużych i złożonych aplikacji.
• Optymalizacja wydajności: Bundlery modułów mogą analizować graf zależności aplikacji i optymalizować ładowanie modułów, zmniejszając liczbę żądań HTTP i poprawiając ogólną wydajność.

Systemy modułów w JavaScript

Na przestrzeni lat w JavaScript pojawiło się kilka systemów modułów, każdy z własną składnią, funkcjami i ograniczeniami. Zrozumienie tych różnych systemów modułów jest kluczowe do pracy z istniejącymi bazami kodu i wyboru odpowiedniego podejścia dla nowych projektów.

CommonJS (CJS)

CommonJS to system modułów używany głównie w środowiskach JavaScript po stronie serwera, takich jak Node.js. Używa on funkcji require() do importowania modułów i obiektu module.exports do ich eksportowania.

            
// math.js
function add(a, b) {
  return a + b;
}

module.exports = {
  add: add
};

// app.js
const math = require('./math');
console.log(math.add(2, 3)); // Output: 5

            

              
                Copy
              
            
          

CommonJS jest synchroniczny, co oznacza, że moduły są ładowane i wykonywane w kolejności, w jakiej są wymagane. Działa to dobrze w środowiskach serwerowych, gdzie dostęp do systemu plików jest szybki i niezawodny.

Asynchronous Module Definition (AMD)

AMD to system modułów przeznaczony do asynchronicznego ładowania modułów w przeglądarkach internetowych. Używa on funkcji define() do definiowania modułów i określania ich zależności.

            
// math.js
define(function() {
  function add(a, b) {
    return a + b;
  }

  return {
    add: add
  };
});

// app.js
require(['./math'], function(math) {
  console.log(math.add(2, 3)); // Output: 5
});

            

              
                Copy
              
            
          

AMD jest asynchroniczny, co oznacza, że moduły mogą być ładowane równolegle, poprawiając wydajność w przeglądarkach internetowych, gdzie opóźnienie sieciowe może być znaczącym czynnikiem.

Universal Module Definition (UMD)

UMD to wzorzec, który pozwala na używanie modułów zarówno w środowiskach CommonJS, jak i AMD. Zazwyczaj polega on na sprawdzaniu obecności require() lub define() i odpowiednim dostosowywaniu definicji modułu.

            
(function (root, factory) {
  if (typeof define === 'function' && define.amd) {
    // AMD
    define([], factory);
  } else if (typeof module === 'object' && module.exports) {
    // CommonJS
    module.exports = factory();
  } else {
    // Browser global (root is window)
    root.myModule = factory();
  }
}(typeof self !== 'undefined' ? self : this, function () {

  // Module logic
  function add(a, b) {
    return a + b;
  }

  return {
    add: add
  };
}));

            

              
                Copy
              
            
          

UMD zapewnia sposób na pisanie modułów, które mogą być używane w różnych środowiskach, ale może również dodawać złożoność do definicji modułu.

Moduły ECMAScript (ESM)

ESM to standardowy system modułów dla JavaScript, wprowadzony w ECMAScript 2015 (ES6). Używa on słów kluczowych import i export do definiowania modułów i ich zależności.

            
// math.js
export function add(a, b) {
  return a + b;
}

// app.js
import { add } from './math.js';
console.log(add(2, 3)); // Output: 5

            

              
                Copy
              
            
          

ESM jest zaprojektowany tak, aby być zarówno synchronicznym, jak i asynchronicznym, w zależności od środowiska. W przeglądarkach internetowych moduły ESM są domyślnie ładowane asynchronicznie, podczas gdy w Node.js mogą być ładowane synchronicznie lub asynchronicznie przy użyciu flagi --experimental-modules. ESM obsługuje również takie funkcje jak dynamiczne powiązania (live bindings) i zależności cykliczne.

Fazy ładowania modułów: Rozwiązywanie importów i wykonanie

Proces ładowania i wykonywania modułów JavaScript można podzielić na dwie główne fazy: rozwiązywanie importów i wykonanie. Zrozumienie tych faz jest kluczowe do zrozumienia, jak moduły oddziałują na siebie nawzajem i jak zarządzane są zależności.

Rozwiązywanie importów

Rozwiązywanie importów to proces znajdowania i ładowania modułów, które są importowane przez dany moduł. Obejmuje to rozwiązywanie specyfikatorów modułów (np. './math.js', 'lodash') do rzeczywistych ścieżek plików lub adresów URL. Proces rozwiązywania importów różni się w zależności od systemu modułów i środowiska.

Rozwiązywanie importów w ESM

W ESM proces rozwiązywania importów jest zdefiniowany przez specyfikację ECMAScript i implementowany przez silniki JavaScript. Proces ten zazwyczaj obejmuje następujące kroki:

1. Parsowanie specyfikatora modułu: Silnik JavaScript parsuje specyfikator modułu w instrukcji import (np. import { add } from './math.js';).
2. Rozwiązywanie specyfikatora modułu: Silnik rozwiązuje specyfikator modułu do w pełni kwalifikowanego adresu URL lub ścieżki pliku. Może to obejmować wyszukiwanie modułu w mapie modułów, przeszukiwanie modułu w predefiniowanym zestawie katalogów lub użycie niestandardowego algorytmu rozwiązywania.
3. Pobieranie modułu: Silnik pobiera moduł z rozwiązanego adresu URL lub ścieżki pliku. Może to obejmować wykonanie żądania HTTP, odczytanie pliku z systemu plików lub pobranie modułu z pamięci podręcznej.
4. Parsowanie kodu modułu: Silnik parsuje kod modułu i tworzy rekord modułu, który zawiera informacje o eksportach, importach i kontekście wykonania modułu.

Szczegółowe detale procesu rozwiązywania importów mogą się różnić w zależności od środowiska. Na przykład w przeglądarkach internetowych proces rozwiązywania importów może obejmować użycie map importu do mapowania specyfikatorów modułów na adresy URL, podczas gdy w Node.js może obejmować wyszukiwanie modułów w katalogu node_modules.

Rozwiązywanie importów w CommonJS

W CommonJS proces rozwiązywania importów jest prostszy niż w ESM. Gdy wywoływana jest funkcja require(), Node.js używa następujących kroków do rozwiązania specyfikatora modułu:

1. Ścieżki względne: Jeśli specyfikator modułu zaczyna się od ./ lub ../, Node.js interpretuje go jako ścieżkę względną do katalogu bieżącego modułu.
2. Ścieżki bezwzględne: Jeśli specyfikator modułu zaczyna się od /, Node.js interpretuje go jako ścieżkę bezwzględną w systemie plików.
3. Nazwy modułów: Jeśli specyfikator modułu jest prostą nazwą (np. 'lodash'), Node.js szuka katalogu o nazwie node_modules w katalogu bieżącego modułu i jego katalogach nadrzędnych, aż znajdzie pasujący moduł.

Gdy moduł zostanie znaleziony, Node.js odczytuje jego kod, wykonuje go i zwraca wartość module.exports.

Bundlery modułów

Bundlery modułów, takie jak Webpack, Parcel i Rollup, upraszczają proces rozwiązywania importów, analizując graf zależności aplikacji i łącząc wszystkie moduły w jeden plik lub niewielką liczbę plików. Zmniejsza to liczbę żądań HTTP i poprawia ogólną wydajność.

Bundlery modułów zazwyczaj używają pliku konfiguracyjnego do określenia punktu wejściowego aplikacji, zasad rozwiązywania modułów i formatu wyjściowego. Zapewniają również takie funkcje jak podział kodu (code splitting), eliminacja martwego kodu (tree shaking) i wymiana modułów na gorąco (hot module replacement).

Wykonanie

Gdy moduły zostaną rozwiązane i załadowane, rozpoczyna się faza wykonania. Polega ona na wykonaniu kodu w każdym module i ustanowieniu relacji między modułami. Kolejność wykonania modułów jest określana przez graf zależności.

Wykonanie w ESM

W ESM kolejność wykonania jest określana przez instrukcje importu. Moduły są wykonywane w porządku wgłębnym, post-order, przechodząc przez graf zależności. Oznacza to, że zależności modułu są wykonywane przed samym modułem, a moduły są wykonywane w kolejności, w jakiej są importowane.

ESM obsługuje również takie funkcje jak dynamiczne powiązania (live bindings), które pozwalają modułom na współdzielenie zmiennych i funkcji przez referencję. Oznacza to, że zmiany w zmiennej w jednym module będą odzwierciedlone we wszystkich innych modułach, które ją importują.

Wykonanie w CommonJS

W CommonJS moduły są wykonywane synchronicznie w kolejności, w jakiej są wymagane. Gdy wywoływana jest funkcja require(), Node.js natychmiast wykonuje kod modułu i zwraca wartość module.exports. Oznacza to, że zależności cykliczne mogą powodować problemy, jeśli nie są obsługiwane ostrożnie.

Zależności cykliczne

Zależności cykliczne występują, gdy dwa lub więcej modułów zależy od siebie nawzajem. Na przykład moduł A może importować moduł B, a moduł B może importować moduł A. Zależności cykliczne mogą powodować problemy zarówno w ESM, jak i w CommonJS, ale są one obsługiwane w różny sposób.

W ESM zależności cykliczne są obsługiwane za pomocą dynamicznych powiązań. Gdy wykryta zostanie zależność cykliczna, silnik JavaScript tworzy wartość zastępczą dla modułu, który nie jest jeszcze w pełni zainicjalizowany. Pozwala to na importowanie i wykonywanie modułów bez powodowania nieskończonej pętli.

W CommonJS zależności cykliczne mogą powodować problemy, ponieważ moduły są wykonywane synchronicznie. Jeśli wykryta zostanie zależność cykliczna, funkcja require() może zwrócić niekompletną lub niezainicjalizowaną wartość dla modułu. Może to prowadzić do błędów lub nieoczekiwanego zachowania.

Aby uniknąć problemów z zależnościami cyklicznymi, najlepiej jest zrefaktoryzować kod w celu wyeliminowania zależności cyklicznej lub użyć techniki takiej jak wstrzykiwanie zależności, aby przerwać cykl.

Praktyczne przykłady

Aby zilustrować omówione powyżej koncepcje, spójrzmy na kilka praktycznych przykładów ładowania modułów w JavaScript.

Przykład 1: Używanie ESM w przeglądarce internetowej

Ten przykład pokazuje, jak używać modułów ESM w przeglądarce internetowej.

            
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>ESM Example</title>
</head>
<body>
  <script type="module" src="./app.js"></script>
</body>
</html>

            

              
                Copy
              
            
          

            
// math.js
export function add(a, b) {
  return a + b;
}

// app.js
import { add } from './math.js';
console.log(add(2, 3)); // Output: 5

            

              
                Copy
              
            
          

W tym przykładzie tag <script type="module"> informuje przeglądarkę, aby załadowała plik app.js jako moduł ESM. Instrukcja import w app.js importuje funkcję add z modułu math.js.

Przykład 2: Używanie CommonJS w Node.js

Ten przykład pokazuje, jak używać modułów CommonJS w Node.js.

            
// math.js
function add(a, b) {
  return a + b;
}

module.exports = {
  add: add
};

// app.js
const math = require('./math');
console.log(math.add(2, 3)); // Output: 5

            

              
                Copy
              
            
          

W tym przykładzie funkcja require() jest używana do importowania modułu math.js, a obiekt module.exports jest używany do eksportowania funkcji add.

Przykład 3: Używanie bundlera modułów (Webpack)

Ten przykład pokazuje, jak używać bundlera modułów (Webpack) do łączenia modułów ESM w celu użycia ich w przeglądarce internetowej.

            
// webpack.config.js
const path = require('path');

module.exports = {
  entry: './src/app.js',
  output: {
    path: path.resolve(__dirname, 'dist'),
    filename: 'bundle.js'
  },
  module: {
    rules: [
      {
        test: /\.js$/,
        exclude: /node_modules/,
        use: {
          loader: 'babel-loader',
          options: {
            presets: ['@babel/preset-env']
          }
        }
      }
    ]
  },
  mode: 'development'
};

            

              
                Copy
              
            
          

            
// src/math.js
export function add(a, b) {
  return a + b;
}

// src/app.js
import { add } from './math.js';
console.log(add(2, 3)); // Output: 5

            

              
                Copy
              
            
          

            
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Webpack Example</title>
</head>
<body>
  <script src="./dist/bundle.js"></script>
</body>
</html>

            

              
                Copy
              
            
          

W tym przykładzie Webpack jest używany do połączenia modułów src/app.js i src/math.js w jeden plik o nazwie bundle.js. Tag <script> w pliku HTML ładuje plik bundle.js.

Praktyczne wskazówki i najlepsze praktyki

Oto kilka praktycznych wskazówek i najlepszych praktyk dotyczących pracy z modułami JavaScript:

• Używaj modułów ESM: ESM to standardowy system modułów dla JavaScript i oferuje kilka zalet w porównaniu z innymi systemami modułów. Używaj modułów ESM zawsze, gdy to możliwe.
• Używaj bundlera modułów: Bundlery modułów, takie jak Webpack, Parcel i Rollup, mogą uprościć proces tworzenia oprogramowania i poprawić wydajność poprzez łączenie modułów w jeden plik lub niewielką liczbę plików.
• Unikaj zależności cyklicznych: Zależności cykliczne mogą powodować problemy zarówno w ESM, jak i w CommonJS. Zrefaktoryzuj kod, aby wyeliminować zależności cykliczne lub użyj techniki takiej jak wstrzykiwanie zależności, aby przerwać cykl.
• Używaj opisowych specyfikatorów modułów: Używaj jasnych i opisowych specyfikatorów modułów, które ułatwiają zrozumienie relacji między modułami.
• Utrzymuj moduły małe i skoncentrowane: Utrzymuj moduły małe i skoncentrowane na jednej odpowiedzialności. Ułatwi to zrozumienie, utrzymanie i ponowne użycie kodu.
• Pisz testy jednostkowe: Pisz testy jednostkowe dla każdego modułu, aby upewnić się, że działa poprawnie. Pomoże to zapobiegać błędom i poprawi ogólną jakość kodu.
• Używaj linterów i formaterów kodu: Używaj linterów i formaterów kodu, aby egzekwować spójny styl kodowania i zapobiegać częstym błędom.

Podsumowanie

Zrozumienie faz ładowania modułów, czyli rozwiązywania importów i wykonania, jest kluczowe do pisania solidnych i wydajnych aplikacji JavaScript. Rozumiejąc różne systemy modułów, proces rozwiązywania importów i kolejność wykonania, programiści mogą pisać kod, który jest łatwiejszy do zrozumienia, utrzymania i ponownego użycia. Stosując się do najlepszych praktyk przedstawionych w tym przewodniku, programiści mogą unikać typowych pułapek i poprawić ogólną jakość swojego kodu.

Od zarządzania zależnościami po poprawę organizacji kodu, opanowanie modułów JavaScript jest niezbędne dla każdego nowoczesnego programisty stron internetowych. Wykorzystaj moc modularności i wznieś swoje projekty JavaScript na wyższy poziom.

Dalsza lektura

• Moduły JavaScript - MDN Web Docs
• Moduły - Dokumentacja Node.js
• Dokumentacja Webpack
• Dokumentacja Parcel
• Dokumentacja Rollup