【Nodejs】1129- 如何為 Node.js 的 require 函數(shù)添加鉤子？

Node.js 是一個基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 運行時環(huán)境。早期的 Node.js 采用的是 CommonJS 模塊規(guī)范，從 Node v13.2.0 版本開始正式支持 ES Modules 特性。直到 v15.3.0 版本 ES Modules 特性才穩(wěn)定下來并與 NPM 生態(tài)相兼容。

（圖片來源：https://nodejs.org/api/esm.html）

本文將介紹 Node.js 中 require 函數(shù)的工作流程、如何讓 Node.js 直接執(zhí)行 ts 文件及如何正確地劫持 Node.js 的 require?函數(shù)，從而實現(xiàn)鉤子的功能。接下來，我們先來介紹 require 函數(shù)。

require 函數(shù)

Node.js 應(yīng)用由模塊組成，每個文件就是一個模塊。對于 CommonJS 模塊規(guī)范來說，我們通過 require 函數(shù)來導(dǎo)入模塊。那么當我們使用 require 函數(shù)來導(dǎo)入模塊的時候，該函數(shù)內(nèi)部發(fā)生了什么？這里我們通過調(diào)用堆棧來了解一下 require 的過程：

由上圖可知，在使用 require 導(dǎo)入模塊時，會調(diào)用 Module 對象的 load 方法來加載模塊，該方法的實現(xiàn)如下所示：

//?lib/internal/modules/cjs/loader.js
Module.prototype.load?=?function(filename)?{
??this.filename?=?filename;
??this.paths?=?Module._nodeModulePaths(path.dirname(filename));

??const?extension?=?findLongestRegisteredExtension(filename);

??Module._extensions[extension](this,?filename);
??this.loaded?=?true;
??//?省略部分代碼
};

注意：本文所引用 Node.js 源碼所對應(yīng)的版本是 v16.13.1

在以上代碼中，重要的兩個步驟是：

• 步驟一：根據(jù)文件名找出擴展名；
• 步驟二：通過解析后的擴展名，在 Module._extensions 對象中查找匹配的加載器。

//?lib/internal/modules/cjs/loader.js
Module._extensions['.node']?=?function(module,?filename)?{
??return?process.dlopen(module,?path.toNamespacedPath(filename));
};

json 文件加載器

//?lib/internal/modules/cjs/loader.js
Module._extensions['.json']?=?function(module,?filename)?{
?const?content?=?fs.readFileSync(filename,?'utf8');
?try?{
????module.exports?=?JSONParse(stripBOM(content));
?}?catch?(err)?{
???err.message?=?filename?+?':?'?+?err.message;
???throw?err;
?}
};

js 文件加載器

//?lib/internal/modules/cjs/loader.js
Module._extensions['.js']?=?function(module,?filename)?{
??//?If?already?analyzed?the?source,?then?it?will?be?cached.
??const?cached?=?cjsParseCache.get(module);
??let?content;
??if?(cached?.source)?{
????content?=?cached.source;
????cached.source?=?undefined;
??}?else?{
????content?=?fs.readFileSync(filename,?'utf8');
??}
??//?省略部分代碼
??module._compile(content,?filename);
};

下面我們來分析比較重要的 js 文件加載器。通過觀察以上代碼，我們可知 js 加載器的核心處理流程，也可以分為兩個步驟：

• 步驟一：使用 fs.readFileSync 方法加載 js 文件的內(nèi)容；
• 步驟二：使用 module._compile 方法編譯已加載的 js 代碼。

//?register.js
const?fs?=?require("fs");
const?Module?=?require("module");
const?{?transformSync?}?=?require("esbuild");

Module._extensions[".ts"]?=?function?(module,?filename)?{
??const?content?=?fs.readFileSync(filename,?"utf8");
??const?{?code?}?=?transformSync(content,?{
????sourcefile:?filename,
????sourcemap:?"both",
????loader:?"ts",
????format:?"cjs",
??});
??module._compile(code,?filename);
};

在以上代碼中，我們引入了內(nèi)置的 module 模塊，然后利用該模塊的 _extensions 對象來注冊我們的自定義 ts 加載器。

其實，加載器的本質(zhì)就是一個函數(shù)，在該函數(shù)內(nèi)部我們利用 esbuild 模塊提供的 transformSync API 來實現(xiàn) ts -> js 代碼的轉(zhuǎn)換。當完成代碼轉(zhuǎn)換之后，會調(diào)用 module._compile 方法對代碼進行編譯操作。

看到這里相信有的小伙伴，也想到了 Webpack 中對應(yīng)的 loader，想深入學(xué)習(xí)的話，可以閱讀 多圖詳解，一次性搞懂Webpack Loader 這篇文章。

篇幅有限，具體的編譯過程，我們就不展開介紹了。下面我們來看一下如何讓自定義的 ts 加載器生效。要讓 Node.js 能夠執(zhí)行 ts 代碼，我們就需要在執(zhí)行 ts 代碼前，先完成自定義 ts 加載器的注冊操作。慶幸的是，Node.js 為我們提供了模塊的預(yù)加載機制：

?$?node?--help?|?grep?preload
???-r,?--require=...?module?to?preload?(option?can?be?repeated)

即利用 -r, --require 命令行配置項，我們就可以預(yù)加載指定的模塊。了解完相關(guān)知識之后，我們來測試一下自定義 ts 加載器。

首先創(chuàng)建一個 index.ts 文件并輸入以下內(nèi)容：

//?index.ts
const?add?=?(a:?number,?b:?number)?=>?a?+?b;

console.log("add(a,?b)?=?",?add(3,?5));

然后在命令行輸入以下命令：

$?node?-r?./register.js?index.ts

當以上命令成功運行之后，控制臺會輸出以下內(nèi)容：

add(a,?b)?=??8

很明顯我們自定義的 ts 文件加載器生效了，這種擴展機制還是值得我們學(xué)習(xí)的。另外，需要注意的是在 load 方法中，findLongestRegisteredExtension 函數(shù)會判斷文件的擴展名是否已經(jīng)注冊在 Module._extensions 對象中，若未注冊的話，默認會返回 .js 字符串。

//?lib/internal/modules/cjs/loader.js
Module.prototype.load?=?function(filename)?{
??this.filename?=?filename;
??this.paths?=?Module._nodeModulePaths(path.dirname(filename));

??const?extension?=?findLongestRegisteredExtension(filename);

??Module._extensions[extension](this,?filename);
??this.loaded?=?true;
??//?省略部分代碼
};

這就意味著只要文件中包含有效的 js 代碼，require 函數(shù)就能正常加載它。比如下面的 a.txt 文件：

??module.exports?=?"hello?world";

看到這里相信你已經(jīng)了解 require 函數(shù)是如何加載模塊及如何自定義 Node.js 文件加載器。那么讓 Node.js 支持加載 ts、png 或 css 等其它類型的文件，有更優(yōu)雅、更簡單的方案么？答案是有的，我們可以使用 pirates 這個第三方庫。

pirates 是什么

pirates 這個庫讓我們可以正確地劫持 Node.js 的 require?函數(shù)。利用這個庫，我們就可以很容易擴展 Node.js 加載器的功能。

pirates 的用法

你可以使用 npm 來安裝 pirates：

npm?install?--save?pirates

在成功安裝 pirates 這個庫之后，就可以利用該模塊導(dǎo)出提供的 addHook 函數(shù)來添加鉤子：

//?register.js
const?addHook?=?require("pirates").addHook;

const?revert?=?addHook(
??(code,?filename)?=>?code.replace("@@foo",?"console.log('foo');"),
??{?exts:?[".js"]?}
);

需要注意的是調(diào)用 addHook 之后會返回一個 revert 函數(shù)，用于取消對 require 函數(shù)的劫持操作。下面我們來驗證一下 pirates 這個庫是否能正常工作，首先新建一個 index.js 文件并輸入以下內(nèi)容：

//?index.js
console.log("@@foo")

然后在命令行輸入以下命令：

$?node?-r?./register.js?index.js

當以上命令成功運行之后，控制臺會輸出以下內(nèi)容：

console.log('foo');

觀察以上結(jié)果可知，我們通過 addHook 函數(shù)添加的鉤子生效了。是不是覺得挺神奇的，接下來我們來分析一下 pirates 的工作原理。

pirates 是如何工作的

pirates 底層是利用 Node.js 內(nèi)置 module 模塊提供的擴展機制來實現(xiàn) Hook 功能。前面我們已經(jīng)介紹過了，當使用 require 函數(shù)來加載模塊時，Node.js 會根據(jù)文件的后綴名來匹配對應(yīng)的加載器。

其實 pirates 的源碼并不會復(fù)雜，我們來重點分析 addHook 函數(shù)的核心處理邏輯：

//?src/index.js
export?function?addHook(hook,?opts?=?{})?{
??let?reverted?=?false;
??const?loaders?=?[];?//?存放新的loader
??const?oldLoaders?=?[];?//?存放舊的loader
??let?exts;

??const?originalJSLoader?=?Module._extensions['.js'];?//?原始的JS?Loader?

??const?matcher?=?opts.matcher?||?null;
??const?ignoreNodeModules?=?opts.ignoreNodeModules?!==?false;
??exts?=?opts.extensions?||?opts.exts?||?opts.extension?||?opts.ext?
????||?['.js'];
??if?(!Array.isArray(exts))?{
????exts?=?[exts];
??}
??exts.forEach((ext)?{?
????//?...?
??}
}

為了提高執(zhí)行效率，addHook 函數(shù)提供了 matcher 和 ignoreNodeModules 配置項來實現(xiàn)文件過濾操作。在獲取到 exts 擴展名列表之后，就會使用新的加載器來替換已有的加載器。

exts.forEach((ext)?=>?{
????if?(typeof?ext?!==?'string')?{
??????throw?new?TypeError(`Invalid?Extension:?${ext}`);
????}
????//?獲取已注冊的loader，若未找到，則默認使用JS?Loader
????const?oldLoader?=?Module._extensions[ext]?||?originalJSLoader;
????oldLoaders[ext]?=?Module._extensions[ext];

????loaders[ext]?=?Module._extensions[ext]?=?function?newLoader(
???mod,?filename)?{
??????let?compile;
??????if?(!reverted)?{
????????if?(shouldCompile(filename,?exts,?matcher,?ignoreNodeModules))?{
??????????compile?=?mod._compile;
??????????mod._compile?=?function?_compile(code)?{
???         //?這里需要恢復(fù)成原來的_compile函數(shù)，否則會出現(xiàn)死循環(huán)
????????????mod._compile?=?compile;
???         //?在編譯前先執(zhí)行用戶自定義的hook函數(shù)
????????????const?newCode?=?hook(code,?filename);
????????????if?(typeof?newCode?!==?'string')?{
??????????????throw?new?Error(HOOK_RETURNED_NOTHING_ERROR_MESSAGE);
????????????}

????????????return?mod._compile(newCode,?filename);
??????????};
????????}
??????}

??????oldLoader(mod,?filename);
????};
});

觀察以上代碼可知，在 addHook 函數(shù)內(nèi)部是通過替換 mod._compile 方法來實現(xiàn)鉤子的功能。即在調(diào)用原始的 mod._compile 方法進行編譯前，會先調(diào)用 hook(code, filename) 函數(shù)來執(zhí)行用戶自定義的 hook 函數(shù)，從而對代碼進行處理。

好的，至此本文的主要內(nèi)容都介紹完了，在實際工作中，如果你想讓 Node.js 直接執(zhí)行 ts 文件，可以利用 ts-node 或 esbuild-register 這兩個庫。其中 esbuild-register 這個庫內(nèi)部就是使用了 pirates 提供的 Hook 機制來實現(xiàn)對應(yīng)的功能。