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5.1 CommonJS 规范核心机制

更新时间：2026-07-10

CommonJS 是 Node.js 最早的模块规范，也是目前 Node.js 中最广泛使用的模块系统。它定义了模块该如何定义、引用和导出。在 ES Modules 逐步推广之前，require() 和 module.exports 是 Node.js 开发者的日常。深入了解 CommonJS 核心机制，不仅有助于理解遗留代码，也是掌握模块化设计的基石。

5.1.1 CommonJS 模块的特点

CommonJS 被设计用于服务端环境，与浏览器端的 AMD 或 ES Modules 有几个本质区别：

  • 同步加载：require() 会阻塞代码执行，直到模块完全加载并返回导出对象。在服务端，模块文件都在本地磁盘，同步 I/O 足够快，因此这是合理的。
  • 运行时加载：模块的加载和导出的确定发生在代码实际执行到 require 语句时，而不是提前静态分析。这带来了极大的灵活性，允许条件加载、动态路径拼接甚至循环引用。
  • 输出值的拷贝：module.exports 输出的是一个普通的 JavaScript 对象，一旦导出，模块内部对值的修改不会影响到已导入该对象的其他模块（除非导出一个可变的引用类型对象，修改其属性会影响导入方）。后文会详细分析。

一个最简单的 CommonJS 模块如下：

// math.js
const add = (a, b) => a + b;
module.exports = { add };

// app.js
const math = require('./math');
console.log(math.add(1, 2)); // 3

5.1.2 require 加载的全流程

当代码中执行 require(x) 时，Node.js 会执行一套严格有序的步骤。整个流程可以概括为：路径解析 → 文件定位 → 编译执行 → 缓存返回。

步骤一：路径解析

require 接收的字符串 x 有不同的处理规则：

  1. 核心模块（如 'fs'、'http'）：Node.js 内部已经编译好的二进制模块，加载优先级最高，速度最快。
  2. 相对路径或绝对路径模块（如 './utils'、'/home/user/mod'）：直接根据路径查找。
  3. 非路径形式模块（如 'express'）：按照 node_modules 目录层级递归查找。Node.js 会从当前文件所在目录开始，依次向上级目录查找 node_modules/express，直到根目录。

步骤二：文件定位

当确定了模块所在的目录后，Node.js 需要解析出具体的文件名：

  1. 若给定的是一个确切的文件名（含扩展名），直接使用。
  2. 若没有扩展名，Node.js 会依次尝试添加 .js、.json、.node 扩展名进行查找。
  3. 如果找到的是一个目录，则会根据该目录下的 package.json 中的 main 字段指定的文件进行加载。如果没有 package.json 或 main 字段，则默认尝试加载目录下的 index.js 或 index.node。

例如，require('./lib') 可能最终加载的是 ./lib/index.js。

步骤三：编译执行

经过文件定位，确定了要加载的物理文件后，Node.js 读取文件内容，根据扩展名采用不同的编译方式：

  • .js 文件：先用函数包裹，编译为可执行的代码，然后注入 exports、require、module、filename、dirname 等参数，再执行。
  • .json 文件：通过 JSON.parse 解析成对象并赋值给 module.exports。
  • .node 文件：这是用 C/C++ 编译成的 Node.js 扩展（通过 node-gyp 等），直接通过 process.dlopen 加载。

包裹函数是 CommonJS 的核心魔法。每个模块文件实际上被包裹成如下形式：

(function(exports, require, module, __filename, __dirname) {
  // 文件原始内容
});

这样每个模块都拥有独立的作用域，变量不会污染全局，且能够通过 require 引入其他模块，通过 module 和 exports 导出内容。参数 filename 和 dirname 分别对应当前文件的完整路径和所在目录。

步骤四：缓存返回

为了避免重复加载和无限递归，Node.js 会缓存已加载的模块。require.cache 中保存了 Module 实例，以全路径为键。当再次 require 同一个文件时，直接从缓存中取出 module.exports，避免再次执行模块代码。

缓存是整个 CommonJS 体系中最容易被忽视但又至关重要的机制。例如：

// counter.js
let count = 0;
module.exports = {
  increment: () => ++count,
  get: () => count
};

// main.js
const c1 = require('./counter');
const c2 = require('./counter');
c1.increment();
console.log(c2.get()); // 1, 因为 c1 和 c2 是同一个模块实例的导出对象

因为 counter 只被加载并执行了一次，count 变量在模块作用域内是唯一的，所以 c1 和 c2 共享了同一个闭包中的状态。

5.1.3 exports 与 module.exports 的真相

这是 CommonJS 使用中最容易出错的点。实际上，exports 只是 module.exports 的一个引用，最终导出的值由 module.exports 决定。Node.js 在模块包裹函数开头大致做了这样一件事：

const exports = module.exports; // 指向同一个对象

因此，给 exports 添加属性 能正常工作，因为修改的是同一对象：

// utils.js
exports.a = 1;
exports.b = 2;
// 等价于 module.exports.a = 1;

但如果直接给 exports 重新赋值，就会切断它与 module.exports 的引用，导致导出失败：

// wrong.js
exports = { a: 1 }; // 此时 exports 指向了新对象，但 module.exports 仍然是原来的空白对象
// 其他模块 require 时将得到一个空对象 {}

如果你想直接导出一个函数、类或全新的对象，必须使用 module.exports：

// greeter.js
module.exports = function(name) {
  return `Hello ${name}`;
};

记忆口诀：当你只需要导出多个属性时，用 exports.xxx；当你需要替换整个导出对象时，用 module.exports。

5.1.4 循环引用的处理

CommonJS 允许循环引用，但开发者必须理解其行为，否则可能遇到 undefined 而非预期的对象。

考虑两个模块相互引用：

// a.js
console.log('a 开始加载');
exports.done = false;
const b = require('./b');
console.log('在 a 中, b.done =', b.done);
exports.done = true;
console.log('a 结束加载');

// b.js
console.log('b 开始加载');
exports.done = false;
const a = require('./a');
console.log('在 b 中, a.done =', a.done);
exports.done = true;
console.log('b 结束加载');

// main.js
const a = require('./a');
const b = require('./b');
console.log('在 main 中, a.done, b.done =', a.done, b.done);

执行 main.js 会输出：

a 开始加载
b 开始加载
在 b 中, a.done = false
b 结束加载
在 a 中, b.done = true
a 结束加载
在 main 中, a.done, b.done = true true

流程解释：

  1. a.js 开始加载，将 done 设为 false，然后遇到 require('./b')。
  2. Node.js 开始加载 b.js。此时 a.js 尚未执行完所有代码，但它的 module.exports 对象已经存在，并且目前只有一个 done: false 属性。
  3. b.js 执行 require('./a')，由于 a.js 正在加载中，不会重新加载，而是从缓存中取出 当前状态 的 a 模块导出对象（{ done: false }）。
  4. b.js 接着执行，将自身的 done 设为 true，结束。
  5. 回到 a.js 继续执行，此时 b.done 已经是 true，再将自身的 done 改为 true，结束。

关键点在于：循环引用时，模块可能只会获得另一个模块的部分导出值，即执行到当前时刻为止的 exports 快照。要避免因此产生的隐性 bug，通常建议在模块设计时尽量保持依赖无环，或者在循环中仅导出函数声明而非立即执行的变量值，因为函数声明会被提升。

5.1.5 热更新与缓存清理

在实际开发中，有时我们会希望“重新加载”一个模块（如配置文件变更），这可以通过删除缓存实现：

delete require.cache[require.resolve('./config')];
const newConfig = require('./config');

require.resolve 获取模块的全路径，然后从 require.cache 中删除，下一次 require 就会重新执行模块代码。需谨慎使用，因为引用该模块的其他模块并不会同步更新，可能导致状态不一致。

5.1.6 小结

CommonJS 核心机制是 Node.js 模块化的根基：

  • require 通过路径解析、文件定位、编译执行和缓存返回，实现了同步加载。
  • 模块作用域隔离通过包裹函数提供，并注入五个关键变量。
  • module.exports 是真正的导出接口，而 exports 只是其引用。
  • 缓存机制保证了单例，但也带来了状态共享；循环引用会产生部分加载的效果。

尽管 ES Modules 开始逐渐接管前端和后端模块化，但 CommonJS 在 Node.js 生态中依然广泛存在（几乎所有 npm 包至少同时支持 CommonJS）。透彻理解 require 的每一步，能帮助你更从容地排查模块加载错误、编写健壮的模块代码，并为学习 ES Modules 的差异打下基础。