如何为Node.js的Require函数添加钩子？

(图片来源：https://nodejs.org/api/esm.html)

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本文将介绍 Node.js 中 require 函数的工作流程、如何让 Node.js 直接执行 ts 文件及如何正确地劫持 Node.js 的 require 函数，从而实现钩子的功能。接下来，我们先来介绍 require 函数。

require 函数

Node.js 应用由模块组成，每个文件就是一个模块。对于 CommonJS 模块规范来说，我们通过 require 函数来导入模块。那么当我们使用 require 函数来导入模块的时候，该函数内部发生了什么?这里我们通过调用堆栈来了解一下 require的过程：

由上图可知，在使用 require 导入模块时，会调用 Module 对象的 load 方法来加载模块，该方法的实现如下所示：

// 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;
  // 省略部分代码
};

注意：本文所引用 Node.js 源码所对应的版本是 v16.13.1

在以上代码中，重要的两个步骤是：

步骤一：根据文件名找出扩展名;
步骤二：通过解析后的扩展名，在 Module._extensions 对象中查找匹配的加载器。

在 Node.js 中内置了 3 种不同的加载器，用于加载 node、json 和 js 文件。

node 文件加载器

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

json 文件加载器

// 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 文件加载器

// 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');
  }
  // 省略部分代码
  module._compile(content, filename);
};

下面我们来分析比较重要的 js 文件加载器。通过观察以上代码，我们可知 js 加载器的核心处理流程，也可以分为两个步骤：

步骤一：使用 fs.readFileSync 方法加载js 文件的内容;
步骤二：使用 module._compile 方法编译已加载的 js 代码。

那么了解以上的知识之后，对我们有什么用处呢?其实在了解 require 函数的工作流程之后，我们就可以扩展 Node.js 的加载器。比如让 Node.js 能够运行 ts 文件。

// 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);
};

在以上代码中，我们引入了内置的 module 模块，然后利用该模块的 _extensions 对象来注册我们的自定义 ts 加载器。

其实，加载器的本质就是一个函数，在该函数内部我们利用 esbuild 模块提供的 transformSyncAPI 来实现 ts -> js 代码的转换。当完成代码转换之后，会调用 module._compile 方法对代码进行编译操作。

看到这里相信有的小伙伴，也想到了 Webpack 中对应的 loader，想深入学习的话，可以阅读多图详解，一次性搞懂Webpack Loader 这篇文章。

篇幅有限，具体的编译过程，我们就不展开介绍了。下面我们来看一下如何让自定义的 ts 加载器生效。要让 Node.js 能够执行 ts 代码，我们就需要在执行 ts 代码前，先完成自定义 ts 加载器的注册操作。庆幸的是，Node.js 为我们提供了模块的预加载机制：

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

即利用 -r, --require 命令行配置项，我们就可以预加载指定的模块。了解完相关知识之后，我们来测试一下自定义 ts 加载器。

首先创建一个 index.ts 文件并输入以下内容：

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

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

然后在命令行输入以下命令：

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

当以上命令成功运行之后，控制台会输出以下内容：

add(a, b) =  8

很明显我们自定义的 ts 文件加载器生效了，这种扩展机制还是值得我们学习的。另外，需要注意的是在 load 方法中，findLongestRegisteredExtension 函数会判断文件的扩展名是否已经注册在 Module._extensions 对象中，若未注册的话，默认会返回 .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;
  // 省略部分代码
};

这就意味着只要文件中包含有效的 js 代码，require 函数就能正常加载它。比如下面的 a.txt文件：

  module.exports = "hello world";

看到这里相信你已经了解 require 函数是如何加载模块及如何自定义 Node.js 文件加载器。那么让 Node.js 支持加载 ts、png 或 css 等其它类型的文件，有更优雅、更简单的方案么?答案是有的，我们可以使用 pirates 这个第三方库。

  module.exports = "hello world";

pirates 是什么

pirates 这个库让我们可以正确地劫持 Node.js 的 require 函数。利用这个库，我们就可以很容易扩展 Node.js 加载器的功能。

pirates 的用法

你可以使用 npm 来安装 pirates：

npm install --save pirates

在成功安装 pirates 这个库之后，就可以利用该模块导出提供的 addHook 函数来添加钩子：

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

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

需要注意的是调用 addHook 之后会返回一个 revert 函数，用于取消对 require 函数的劫持操作。下面我们来验证一下 pirates 这个库是否能正常工作，首先新建一个 index.js 文件并输入以下内容：

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

然后在命令行输入以下命令：

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

当以上命令成功运行之后，控制台会输出以下内容：

console.log('foo');

观察以上结果可知，我们通过 addHook 函数添加的钩子生效了。是不是觉得挺神奇的，接下来我们来分析一下 pirates 的工作原理。

pirates 是如何工作的

pirates 底层是利用 Node.js 内置 module 模块提供的扩展机制来实现 Hook 功能。前面我们已经介绍过了，当使用 require 函数来加载模块时，Node.js 会根据文件的后缀名来匹配对应的加载器。

其实 pirates 的源码并不会复杂，我们来重点分析addHook 函数的核心处理逻辑：

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

为了提高执行效率，addHook 函数提供了 matcher 和 ignoreNodeModules 配置项来实现文件过滤操作。在获取到 exts 扩展名列表之后，就会使用新的加载器来替换已有的加载器。

exts.forEach((ext) => {
    if (typeof ext !== 'string') {
      throw new TypeError(`Invalid Extension: ${ext}`);
    }
    // 获取已注册的loader，若未找到，则默认使用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) {
            // 这里需要恢复成原来的_compile函数，否则会出现死循环
            mod._compile = compile;
            // 在编译前先执行用户自定义的hook函数
            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);
    };
});

观察以上代码可知，在 addHook 函数内部是通过替换 mod._compile 方法来实现钩子的功能。即在调用原始的 mod._compile 方法进行编译前，会先调用 hook(code, filename) 函数来执行用户自定义的 hook 函数，从而对代码进行处理。

好的，至此本文的主要内容都介绍完了，在实际工作中，如果你想让 Node.js 直接执行 ts 文件，可以利用 ts-node 或 esbuild-register 这两个库。其中 esbuild-register 这个库内部就是使用了 pirates 提供的 Hook 机制来实现对应的功能。

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