結合源碼分析 Node.js 模塊載入與運行原理

04-21

Node.js 的出現，讓 JavaScript 脫離了瀏覽器的束縛，進入了廣闊的服務端開發領域。而 Node.js 對 CommonJS 模塊化規範的引入，則更是讓 JavaScript成為了一門真正能夠適應大型工程的語言。

在 Node.js 中使用模塊非常簡單，我們日常開發中幾乎都有過這樣的經歷：寫一段 JavaScript 代碼，require 一些想要的包，然後將代碼產物 exports 導出。但是，對於 Node.js 模塊化背後的載入與運行原理，我們是否清楚呢。首先拋出以下幾個問題：

Node.js 中的模塊支持哪些文件類型？
核心模塊和第三方模塊的載入運行流程有什麼不同？
除了 JavaScript 模塊以外，怎樣去寫一個 C/C++ 擴展模塊？
……

本篇文章，就會結合 Node.js 源碼，探究一下以上這些問題背後的答案。

1. Node.js 模塊類型

在 Node.js 中，模塊主要可以分為以下幾種類型：

核心模塊：包含在 Node.js 源碼中，被編譯進 Node.js 可執行二進位文件 JavaScript 模塊，也叫 native 模塊，比如常用的 http,

fs 等等
C/C++ 模塊，也叫 built-in 模塊，一般我們不直接調用，而是在 native module 中調用，然後我們再 require
native 模塊，比如我們在 Node.js 中常用的 buffer，fs，os 等 native 模塊，其底層都有調用 built-in 模塊。
第三方模塊：非 Node.js 源碼自帶的模塊都可以統稱第三方模塊，比如 express，webpack 等等。

JavaScript 模塊，這是最常見的，我們開發的時候一般都寫的是 JavaScript 模塊
JSON 模塊，這個很簡單，就是一個 JSON 文件
C/C++ 擴展模塊，使用 C/C++ 編寫，編譯之後後綴名為 .node

本篇文章中，我們會一一涉及到上述幾種模塊的載入、運行原理。

2. Node.js 源碼結構一覽

這裡使用 Node.js 6.x 版本源碼為例子來做分析。去 github 上下載相應版本的 Node.js 源碼，可以看到代碼大體結構如下：

├── AUTHORS├── BSDmakefile├── BUILDING.md├── CHANGELOG.md├── CODE_OF_CONDUCT.md├── COLLABORATOR_GUIDE.md├── CONTRIBUTING.md├── GOVERNANCE.md├── LICENSE├── Makefile├── README.md├── android-configure├── benchmark├── common.gypi├── configure├── deps├── doc├── lib├── node.gyp├── node.gypi├── src├── test├── tools└── vcbuild.bat

其中：

./lib文件夾主要包含了各種 JavaScript 文件，我們常用的 JavaScript native 模塊都在這裡。
./src文件夾主要包含了 Node.js 的 C/C++ 源碼文件，其中很多 built-in 模塊都在這裡。
./deps文件夾包含了 Node.js 依賴的各種庫，典型的如 v8，libuv，zlib 等。

我們在開發中使用的 release 版本，其實就是從源碼編譯得到的可執行文件。如果我們想要對 Node.js 進行一些個性化的定製，則可以對源碼進行修改，然後再運行編譯，得到定製化的 Node.js 版本。這裡以 Linux 平台為例，簡要介紹一下 Node.js 編譯流程。

首先，我們需要認識一下編譯用到的組織工具，即 gyp。Node.js 源碼中我們可以看到一個 node.gyp，這個文件中的內容是由 python 寫成的一些 JSON-like 配置，定義了一連串的構建工程任務。我們舉個例子，其中有一個欄位如下：

{ target_name: node_js2c, type: none, toolsets: [host], actions: [ { action_name: node_js2c, inputs: [ <@(library_files), ./config.gypi, ], outputs: [ <(SHARED_INTERMEDIATE_DIR)/node_natives.h, ], conditions: [ [ node_use_dtrace=="false" and node_use_etw=="false", { inputs: [ src/notrace_macros.py ] }], [node_use_lttng=="false", { inputs: [ src/nolttng_macros.py ] }], [ node_use_perfctr=="false", { inputs: [ src/perfctr_macros.py ] }] ], action: [ python, tools/js2c.py, <@(_outputs), <@(_inputs), ], }, ], }, # end node_js2c

這個任務主要的作用從名稱 node_js2c 就可以看出來，是將 JavaScript 轉換為 C/C++ 代碼。這個任務我們下面還會提到。

首先編譯 Node.js，需要提前安裝一些工具：

gcc 和 g++ 4.9.4 及以上版本
clang 和 clang++
python 2.6 或者 2.7，這裡要注意，只能是這兩個版本，不可以為python 3+
GNU MAKE 3.81 及以上版本

有了這些工具，進入 Node.js 源碼目錄，我們只需要依次運行如下命令：

./configurationmakemake install

即可編譯生成可執行文件並安裝了。

3. 從 `node index.js` 開始

讓我們首先從最簡單的情況開始。假設有一個 index.js 文件，裡面只有一行很簡單的 console.log(hello world) 代碼。當輸入 node index.js 的時候，Node.js 是如何編譯、運行這個文件的呢？

當輸入 Node.js 命令的時候，調用的是 Node.js 源碼當中的 main 函數，在 src/node_main.cc 中：

// src/node_main.cc#include "node.h"#ifdef _WIN32#include <VersionHelpers.h>int wmain(int argc, wchar_t *wargv[]) { // windows下面的入口}#else// UNIXint main(int argc, char *argv[]) { // Disable stdio buffering, it interacts poorly with printf() // calls elsewhere in the program (e.g., any logging from V8.) setvbuf(stdout, nullptr, _IONBF, 0); setvbuf(stderr, nullptr, _IONBF, 0); // 關注下面這一行 return node::Start(argc, argv);}#endif

這個文件只做入口用，區分了 Windows 和 Unix 環境。我們以 Unix 為例，在 main 函數中最後調用了 node::Start，這個是在 src/node.cc 文件中：

// src/node.ccint Start(int argc, char** argv) { // ... { NodeInstanceData instance_data(NodeInstanceType::MAIN, uv_default_loop(), argc, const_cast<const char**>(argv), exec_argc, exec_argv, use_debug_agent); StartNodeInstance(&instance_data); exit_code = instance_data.exit_code(); } // ...}// ...static void StartNodeInstance(void* arg) { // ... { Environment::AsyncCallbackScope callback_scope(env); LoadEnvironment(env); } // ...}// ...void LoadEnvironment(Environment* env) { // ... Local<String> script_name = FIXED_ONE_BYTE_STRING(env->isolate(), "bootstrap_node.js"); Local<Value> f_value = ExecuteString(env, MainSource(env), script_name); if (try_catch.HasCaught()) { ReportException(env, try_catch); exit(10); } // The bootstrap_node.js file returns a function f CHECK(f_value->IsFunction()); Local<Function> f = Local<Function>::Cast(f_value); // ... f->Call(Null(env->isolate()), 1, &arg);}

整個文件比較長，在上面代碼段里，只截取了我們最需要關注的流程片段，調用關係如下：

Start -> StartNodeInstance -> LoadEnvironment。

在 LoadEnvironment 需要我們關注，主要做的事情就是，取出 bootstrap_node.js 中的代碼字元串，解析成函數，並最後通過 f->Call 去執行。

OK，重點來了，從 Node.js 啟動以來，我們終於看到了第一個 JavaScript 文件 bootstrap_node.js，從文件名我們也可以看出這個是一個入口性質的文件。那麼我們快去看看吧，該文件路徑為 lib/internal/bootstrap_node.js：

// lib/internal/boostrap_node.js(function(process) { function startup() { // ... else if (process.argv[1]) { const path = NativeModule.require(path); process.argv[1] = path.resolve(process.argv[1]); const Module = NativeModule.require(module); // ... preloadModules(); run(Module.runMain); } // ... } // ... startup();}// lib/module.js// ...// bootstrap main module.Module.runMain = function() { // Load the main module--the command line argument. Module._load(process.argv[1], null, true); // Handle any nextTicks added in the first tick of the program process._tickCallback();};// ...

這裡我們依然關注主流程，可以看到，bootstrap_node.js 中，執行了一個 startup() 函數。通過 process.argv[1] 拿到文件名，在我們的 node index.js 中，process.argv[1] 顯然就是 index.js，然後調用 path.resolve 解析出文件路徑。在最後，run(Module.runMain) 來編譯執行我們的 index.js。

而 Module.runMain 函數定義在 lib/module.js 中，在上述代碼片段的最後，列出了這個函數，可以看到，主要是調用 Module._load 來載入執行 process.argv[1]。

下文我們在分析模塊的 require 的時候，也會來到 lib/module.js 中，也會分析到 Module._load。因此我們可以看出，Node.js 啟動一個文件的過程，其實到最後，也是 require 一個文件的過程，可以理解為是立即 require 一個文件。下面就來分析 require 的原理。

4. 模塊載入原理的關鍵：require

我們進一步，假設我們的 index.js 有如下內容：

var http = require(http);

那麼當執行這一句代碼的時候，會發生什麼呢？

require的定義依然在 lib/module.js 中：

// lib/module.js// ...Module.prototype.require = function(path) { assert(path, missing path); assert(typeof path === string, path must be a string); return Module._load(path, this, /* isMain */ false);};// ...

require 方法定義在Module的原型鏈上。可以看到這個方法中，調用了 Module._load。

我們這麼快就又來到了 Module._load 來看看這個關鍵的方法究竟做了什麼吧：

// lib/module.js// ...Module._load = function(request, parent, isMain) { if (parent) { debug(Module._load REQUEST %s parent: %s, request, parent.id); } var filename = Module._resolveFilename(request, parent, isMain); var cachedModule = Module._cache[filename]; if (cachedModule) { return cachedModule.exports; } if (NativeModule.nonInternalExists(filename)) { debug(load native module %s, request); return NativeModule.require(filename); } var module = new Module(filename, parent); if (isMain) { process.mainModule = module; module.id = .; } Module._cache[filename] = module; tryModuleLoad(module, filename); return module.exports;};// ...

這段代碼的流程比較清晰，具體說來：

根據文件名，調用 Module._resolveFilename 解析文件的路徑
查看緩存 Module._cache 中是否有該模塊，如果有，直接返回
通過 NativeModule.nonInternalExists 判斷該模塊是否為核心模塊，如果核心模塊，調用核心模塊的載入方法 NativeModule.require
如果不是核心模塊，新創建一個 Module 對象，調用 tryModuleLoad 函數載入模塊

我們首先來看一下 Module._resolveFilename，看懂這個方法對於我們理解 Node.js 的文件路徑解析原理很有幫助：

// lib/module.js// ...Module._resolveFilename = function(request, parent, isMain) { // ... var filename = Module._findPath(request, paths, isMain); if (!filename) { var err = new Error("Cannot find module " + request + ""); err.code = MODULE_NOT_FOUND; throw err; } return filename;};// ...

在 Module._resolveFilename 中調用了 Module._findPath，模塊載入的判斷邏輯實際上集中在這個方法中，由於這個方法較長，直接附上 github 該方法代碼：

https://github.com/nodejs/node/blob/v6.x/lib/module.js#L158

可以看出，文件路徑解析的邏輯流程是這樣的：

先生成 cacheKey，判斷相應 cache 是否存在，若存在直接返回
如果 path 的最後一個字元不是 /：

如果路徑是一個文件並且存在，那麼直接返迴文件的路徑
如果路徑是一個目錄，調用 tryPackage 函數去解析目錄下的 package.json，然後取出其中的 main 欄位所寫入的文件路徑

判斷路徑如果存在，直接返回
嘗試在路徑後面加上 .js, .json, .node 三種後綴名，判斷是否存在，存在則返回
嘗試在路徑後面依次加上 index.js, index.json, index.node，判斷是否存在，存在則返回

如果還不成功，直接對當前路徑加上 .js, .json, .node 後綴名進行嘗試

如果 path 的最後一個字元是 /：

調用 tryPackage ，解析流程和上面的情況類似
如果不成功，嘗試在路徑後面依次加上 index.js, index.json, index.node，判斷是否存在，存在則返回

解析文件中用到的 tryPackage 和 tryExtensions 方法的 github 鏈接：

https://github.com/nodejs/node/blob/v6.x/lib/module.js#L108 https://github.com/nodejs/node/blob/v6.x/lib/module.js#L146

整個流程可以參考下面這張圖：

而在文件路徑解析完成之後，根據文件路徑查看緩存是否存在，存在直接返回，不存在的話，走到 3 或者 4 步驟。

這裡，在 3、4 兩步產生了兩個分支，即核心模塊和第三方模塊的載入方法不一樣。由於我們假設了我們的 index.js 中為 var http = require(http)，http 是一個核心模塊，所以我們先來分析核心模塊載入的這個分支。

4.1 核心模塊載入原理

核心模塊是通過 NativeModule.require 載入的，NativeModule的定義在 bootstrap_node.js 中，附上 github 鏈接：

https://github.com/nodejs/node/blob/v6.x/lib/internal/bootstrap_node.js#L401

從代碼中可以看到，NativeModule.require 的流程如下：

判斷 cache 中是否已經載入過，如果有，直接返回 exports
新建 nativeModule 對象，然後緩存，並載入編譯

首先我們來看一下如何編譯，從代碼中看是調用了 compile 方法，而在 NativeModule.prototype.compile 方法中，首先是通過 NativeModule.getSource 獲取了要載入模塊的源碼，那麼這個源碼是如何獲取的呢？看一下 getSource 方法的定義：

// lib/internal/bootstrap_node.js // ... NativeModule._source = process.binding(natives); // ... NativeModule.getSource = function(id) { return NativeModule._source[id]; };

直接從 NativeModule._source 獲取的，而這個又是在哪裡賦值的呢？在上述代碼中也截取了出來，是通過 NativeModule._source = process.binding(natives) 獲取的。

這裡就要插入介紹一下 JavaScript native 模塊代碼是如何存儲的了。Node.js 源碼編譯的時候，會採用 v8 附帶的 js2c.py 工具，將 lib 文件夾下面的 js 模塊的代碼都轉換成 C 裡面的數組，生成一個 node_natives.h 頭文件，記錄這個數組：

namespace node { const char node_native[] = {47, 47, 32, 67, 112 …} const char console_native[] = {47, 47, 32, 67, 112 …} const char buffer_native[] = {47, 47, 32, 67, 112 …} …}struct _native {const char name; const char* source; size_t source_len;};static const struct _native natives[] = { { 「node」, node_native, sizeof(node_native)-1 }, {「dgram」, dgram_native, sizeof(dgram_native)-1 }, {「console」, console_native, sizeof(console_native)-1 }, {「buffer」, buffer_native, sizeof(buffer_native)-1 }, … }

而上文中 NativeModule._source = process.binding(natives); 的作用，就是取出這個 natives 數組，賦值給NativeModule._source，所以在 getSource 方法中，直接可以使用模塊名作為索引，從數組中取出模塊的源代碼。

在這裡我們插入回顧一下上文，在介紹 Node.js 編譯的時候，我們介紹了 node.gyp，其中有一個任務是 node_js2c，當時筆者提到從名稱看這個任務是將 JavaScript 轉換為 C 代碼，而這裡的 natives 數組中的 C 代碼，正是這個構建任務的產物。而到了這裡，我們終於知道了這個編譯任務的作用了。

知道了源碼的獲取，繼續往下看 compile 方法，看看源碼是如何編譯的：

// lib/internal/bootstrap_node.js NativeModule.wrap = function(script) { return NativeModule.wrapper[0] + script + NativeModule.wrapper[1]; }; NativeModule.wrapper = [ (function (exports, require, module, __filename, __dirname) { , }); ]; NativeModule.prototype.compile = function() { var source = NativeModule.getSource(this.id); source = NativeModule.wrap(source); this.loading = true; try { const fn = runInThisContext(source, { filename: this.filename, lineOffset: 0, displayErrors: true }); fn(this.exports, NativeModule.require, this, this.filename); this.loaded = true; } finally { this.loading = false; } }; // ...

NativeModule.prototype.compile 在獲取到源碼之後，它主要做了：使用 wrap 方法處理源代碼，最後調用 runInThisContext 進行編譯得到一個函數，最後執行該函數。其中 wrap 方法，是給源代碼加上了一頭一尾，其實相當於是將源碼包在了一個函數中，這個函數的參數有 exports, require, module 等。這就是為什麼我們寫模塊的時候，不需要定義 exports, require, module 就可以直接用的原因。

至此就基本講清楚了 Node.js 核心模塊的載入過程。說到這裡大家可能有一個疑惑，上述分析過程，好像只涉及到了核心模塊中的 JavaScript native模塊，那麼對於 C/C++ built-in 模塊呢？

其實是這樣的，對於 built-in 模塊而言，它們不是通過 require 來引入的，而是通過 precess.binding(模塊名) 引入的。一般我們很少在自己的代碼中直接使用 process.binding 來引入built-in模塊，而是通過 require 引用native模塊，而 native 模塊裡面會引入 built-in 模塊。比如我們常用的 buffer 模塊，其內部實現中就引入了 C/C++ built-in 模塊，這是為了避開 v8 的內存限制：

// lib/buffer.jsuse strict;// 通過 process.binding 引入名為 buffer 的 C/C++ built-in 模塊const binding = process.binding(buffer);// ...

這樣，我們在 require(buffer) 的時候，其實是間接的使用了 C/C++ built-in 模塊。

這裡再次出現了 process.binding！事實上，process.binding 這個方法定義在 node.cc 中：

// src/node.cc// ...static void Binding(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { // ... node_module* mod = get_builtin_module(*module_v); // ...}// ...env->SetMethod(process, "binding", Binding);// ...

Binding 這個函數中關鍵的一步是 get_builtin_module。這裡需要再次插入介紹一下 C/C++ 內建模塊的存儲方式：

在 Node.js 中，內建模塊是通過一個名為 node_module_struct 的結構體定義的。所以的內建模塊會被放入一個叫做 node_module_list 的數組中。而 process.binding 的作用，正是使用 get_builtin_module 從這個數組中取出相應的內建模塊代碼。

綜上，我們就完整介紹了核心模塊的載入原理，主要是區分 JavaScript 類型的 native 模塊和 C/C++ 類型的 built-in 模塊。這裡繪製一張圖來描述一下核心模塊載入過程：

而回憶我們在最開始介紹的，native 模塊在源碼中存放在 lib/ 目錄下，而 built-in 模塊在源碼中存放在 src/ 目錄下，下面這張圖則從編譯的角度梳理了 native 和 built-in 模塊如何被編譯進 Node.js 可執行文件：

4.2 第三方模塊載入原理

下面讓我們繼續分析第二個分支，假設我們的 index.js 中 require 的不是 http，而是一個用戶自定義模塊，那麼在 module.js 中, 我們會走到 tryModuleLoad 方法中：

// lib/module.js// ...function tryModuleLoad(module, filename) { var threw = true; try { module.load(filename); threw = false; } finally { if (threw) { delete Module._cache[filename]; } }}// ...Module.prototype.load = function(filename) { debug(load %j for module %j, filename, this.id); assert(!this.loaded); this.filename = filename; this.paths = Module._nodeModulePaths(path.dirname(filename)); var extension = path.extname(filename) || .js; if (!Module._extensions[extension]) extension = .js; Module._extensions[extension](this, filename); this.loaded = true;};// ...

這裡看到，tryModuleLoad 中實際調用了 Module.prototype.load 定義的方法，這個方法主要做的事情是，檢測 filename 的擴展名，然後針對不同的擴展名，調用不同的 Module._extensions 方法來載入、編譯模塊。接著我們看看 Module._extensions:

// lib/module.js// ...// Native extension for .jsModule._extensions[.js] = function(module, filename) { var content = fs.readFileSync(filename, utf8); module._compile(internalModule.stripBOM(content), filename);};// Native extension for .jsonModule._extensions[.json] = function(module, filename) { var content = fs.readFileSync(filename, utf8); try { module.exports = JSON.parse(internalModule.stripBOM(content)); } catch (err) { err.message = filename + : + err.message; throw err; }};//Native extension for .nodeModule._extensions[.node] = function(module, filename) { return process.dlopen(module, path._makeLong(filename));};// ...

可以看出，一共支持三種類型的模塊載入：.js, .json, .node。其中 .json 類型的文件載入方法是最簡單的，直接讀取文件內容，然後 JSON.parse 之後返回對象即可。

下面來看對 .js 的處理，首先也是通過 fs 模塊同步讀取文件內容，然後調用了 module._compile，看看相關代碼：

// lib/module.js// ...Module.wrap = NativeModule.wrap;// ...Module.prototype._compile = function(content, filename) { // ... // create wrapper function var wrapper = Module.wrap(content); var compiledWrapper = vm.runInThisContext(wrapper, { filename: filename, lineOffset: 0, displayErrors: true }); // ... var result = compiledWrapper.apply(this.exports, args); if (depth === 0) stat.cache = null; return result;};// ...

首先調用 Module.wrap 對源代碼進行包裹，之後調用 vm.runInThisContext 方法進行編譯執行，最後返回 exports 的值。而從 Module.wrap = NativeModule.wrap 這一句可以看出，第三方模塊的 wrap 方法，和核心模塊的 wrap 方法是一樣的。我們回憶一下剛才講到的核心js模塊載入關鍵代碼：

兩廂對比，發現二者對源代碼的編譯執行幾乎是一模一樣的。從整體流程上來講，核心 JavaScript 模塊與第三方 JavaScript 模塊最大的不同就是，核心 JavaScript 模塊源代碼是通過 process.binding(natives) 從內存中獲取的，而第三方 JavaScript 模塊源代碼是通過 fs.readFileSync 方法從文件中讀取的。

最後，再來看一下載入第三方 C/C++模塊（.node後綴）。直觀上來看，很簡單，就是調用了 process.dlopen 方法。這個方法的定義在 node.cc 中：

// src/node.cc// ...env->SetMethod(process, "dlopen", DLOpen);// ...void DLOpen(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { // ... const bool is_dlopen_error = uv_dlopen(*filename, &lib); // ...}// ...

實際上最終調用了 DLOpen 函數，該函數中最重要的是使用 uv_dlopen 方法打開動態鏈接庫，然後對 C/C++ 模塊進行載入。uv_dlopen 方法是定義在 libuv 庫中的。libuv 庫是一個跨平台的非同步 IO 庫。對於擴展模塊的動態載入這部分功能，在 *nix 平台下，實際上調用的是 dlfcn.h 中定義的 dlopen() 方法，而在 Windows 下，則為 LoadLibraryExW() 方法，在兩個平台下，他們載入的分別是 .so 和 .dll 文件，而 Node.js 中，這些文件統一被命名了 .node 後綴，屏蔽了平台的差異。

關於 libuv 庫，是 Node.js 非同步 IO 的核心驅動力，這一塊本身就值得專門作為一個專題來研究，這裡就不展開講了。

到此為止，我們理清楚了三種第三方模塊的載入、編譯過程。

5. C/C++ 擴展模塊的開發以及應用場景

上文分析了 Node.js 當中各類模塊的載入流程。大家對於 JavaScript 模塊的開發應該是駕輕就熟了，但是對於 C/C++ 擴展模塊開發可能還有些陌生。這一節就簡單介紹一下擴展模塊的開發，並談談其應用場景。

關於 Node.js 擴展模塊的開發，在 Node.js 官網文檔中專門有一節予以介紹，大家可以移步官網文檔查看：https://nodejs.org/docs/latest-v6.x/api/addons.html 。這裡僅僅以其中的 hello world 例子來介紹一下編寫擴展模塊的一些比較重要的概念：

假設我們希望通過擴展模塊來實現一個等同於如下 JavaScript 函數的功能：

module.exports.hello = () => world;

首先創建一個 http://hello.cc 文件，編寫如下代碼：

// hello.cc#include <node.h>namespace demo {using v8::FunctionCallbackInfo;using v8::Isolate;using v8::Local;using v8::Object;using v8::String;using v8::Value;void Method(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { Isolate* isolate = args.GetIsolate(); args.GetReturnValue().Set(String::NewFromUtf8(isolate, "world"));}void init(Local<Object> exports) { NODE_SET_METHOD(exports, "hello", Method);}NODE_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, init)} // namespace demo

文件雖短，但是已經出現了一些我們比較陌生的代碼，這裡一一介紹一下，對於了解擴展模塊基礎知識還是很有幫助的。

首先在開頭引入了 node.h，這個是編寫 Node.js 擴展時必用的頭文件，裡面幾乎包含了我們所需要的各種庫、數據類型。

其次，看到了很多 using v8:xxx 這樣的代碼。我們知道，Node.js 是基於 v8 引擎的，而 v8 引擎，就是用 C++ 來寫的。我們要開發 C++ 擴展模塊，便需要使用 v8 中提供的很多數據類型，而這一系列代碼，正是聲明了需要使用 v8 命名空間下的這些數據類型。

然後來看 Method 方法，它的參數類型 FunctionCallbackInfo<Value>& args，這個 args 就是從 JavaScript 中傳入的參數，同時，如果想在 Method 中為 JavaScript 返回變數，則需要調用 args.GetReturnValue().Set 方法。

接下來需要定義擴展模塊的初始化方法，這裡是 Init 函數，只有一句簡單的 NODE_SET_METHOD(exports, "hello", Method);，代表給 exports 賦予一個名為 hello 的方法，這個方法的具體定義就是 Method 函數。

最後是一個宏定義：NODE_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, init)，第一個參數是希望的擴展模塊名稱，第二個參數就是該模塊的初始化方法。

為了編譯這個模塊，我們需要通過npm安裝 node-gyp 編譯工具。該工具將 Google 的 gyp 工具封裝，用來構建 Node.js 擴展。安裝這個工具後，我們在源碼文件夾下面增加一個名為 bingding.gyp 的配置文件，對於我們這個例子，文件只要這樣寫：

{ "targets": [ { "target_name": "addon", "sources": [ "hello.cc" ] } ]}

這樣，運行 node-gyp build 即可編譯擴展模塊。在這個過程中，node-gyp 還會去指定目錄（一般是 ~/.node-gyp）下面搜我們當前 Node.js 版本的一些頭文件和庫文件，如果不存在，它還會幫我們去 Node.js 官網下載。這樣，在編寫擴展的時候，通過 #include <>，我們就可以直接使用所有 Node.js 的頭文件了。

如果編譯成功，會在當前文件夾的 build/Release/ 路徑下看到一個 addon.node，這個就是我們編譯好的可 require 的擴展模塊。

從上面的例子中，我們能大體看出擴展模塊的運作模式，它可以接收來自 JavaScript 的參數，然後中間可以調用 C/C++ 語言的能力去做各種運算、處理，然後最後可以將結果再返回給 JavaScript。

值得注意的是，不同 Node.js 版本，依賴的 v8 版本不同，導致很多 API 會有差別，因此使用原生 C/C++ 開發擴展的過程中，也需要針對不同版本的 Node.js 做兼容處理。比如說，聲明一個函數，在 v6.x 和 v0.12 以下的版本中，分別需要這樣寫：

Handle<Value> Example(const Arguments& args); // 0.10.xvoid Example(FunctionCallbackInfo<Value>& args); // 6.x

可以看到，函數的聲明，包括函數中參數的寫法，都不盡相同。這讓人不由得想起了在 Node.js 開發中，為了寫 ES6，也是需要使用 Babel 來幫忙進行兼容性轉換。那麼在 Node.js 擴展開發領域，有沒有類似 Babel 這樣幫助我們處理兼容性問題的庫呢？答案是肯定的，它的名字叫做 NAN (Native Abstraction for Node.js)。它本質上是一堆宏，能夠幫助我們檢測 Node.js 的不同版本，並調用不同的 API。例如，在 NAN 的幫助下，聲明一個函數，我們不需要再考慮 Node.js 版本，而只需要寫一段這樣的代碼：

#include <nan.h>NAN_METHOD(Example) { // ...}

NAN 的宏會在編譯的時候自動判斷，根據 Node.js 版本的不同展開不同的結果，從而解決了兼容性問題。對 NAN 更詳細的介紹，感興趣的同學可以移步該項目的 github 主頁：https://github.com/nodejs/nan。

介紹了這麼多擴展模塊的開發，可能有同學會問了，像這些擴展模塊實現的功能，看起來似乎用js也可以很快的實現，何必大費周折去開發擴展呢？這就引出了一個問題：C/C++ 擴展的適用場景。

筆者在這裡大概歸納了幾類 C/C++ 適用的情景：

計算密集型應用。我們知道，Node.js 的編程模型是單線程 + 非同步 IO，其中單線程導致了它在計算密集型應用上是一個軟肋，大量的計算會阻塞 JavaScript 主線程，導致無法響應其他請求。對於這種場景，就可以使用 C/C++ 擴展模塊，來加快計算速度，畢竟，雖然 v8 引擎的執行速度很快，但終究還是比不過 C/C++。另外，使用 C/C++，還可以允許我們開多線程，避免阻塞 JavaScript 主線程，社區里目前已經有一些基於擴展模塊的 Node.js 多線程方案，其中最受歡迎的可能是一個叫做 thread-a-gogo 的項目，具體可以移步 github：https://github.com/xk/node-threads-a-gogo。
內存消耗較大的應用。Node.js 是基於 v8 的，而 v8 一開始是為瀏覽器設計的，所以其在內存方面是有比較嚴格的限制的，所以對於一些需要較大內存的應用，直接基於 v8 可能會有些力不從心，這個時候就需要使用擴展模塊，來繞開 v8 的內存限制，最典型的就是我們常用的 buffer.js 模塊，其底層也是調用了 C++，在 C++ 的層面上去申請內存，避免 v8 內存瓶頸。

關於第一點，筆者這裡也分別用原生 Node.js 以及 Node.js 擴展實現了一個測試例子來對比計算性能。測試用例是經典的計算斐波那契數列，首先使用 Node.js 原生語言實現一個計算斐波那契數列的函數，取名為 fibJs：

function fibJs(n) { if (n === 0 || n === 1) { return n; } else { return fibJs(n - 1) + fibJs(n - 2); }}

然後使用 C++ 編寫一個實現同樣功能的擴展函數，取名 fibC:

// fibC.cpp#include <node.h>#include <math.h>using namespace v8;int fib(int n) { if (n == 0 || n ==1) { return n; } else { return fib(n - 1) + fib(n - 2); }}void Method(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { Isolate* isolate = args.GetIsolate(); int n = args[0]->NumberValue(); int result = fib(n); args.GetReturnValue().Set(result);}void init(Local < Object > exports, Local < Object > module) { NODE_SET_METHOD(module, "exports", Method);}NODE_MODULE(fibC, init)

在測試中，分別使用這兩個函數計算從 1~40 的斐波那契數列:

多次測試，擴展模塊平均花費時長大約 1.2s，而 JavaScript 模塊花費時長大約 2.6s，可見在此場景下，C/C++ 擴展性能還是要快上不少的。

當然，這幾點只是基於筆者的認識。在實際開發過程中，大家在遇到問題的時候，也可以嘗試著考慮如果使用 C/C++ 擴展模塊，問題是不是能夠得到更好的解決。

結語

文章讀到這裡，我們再回去看一下一開始提出的那些問題，是否在文章分析的過程中都得到了解答？再來回顧一下本文的邏輯脈絡：

首先以一個node index.js 的運行原理開始，指出使用node 運行一個文件，等同於立即執行一次require 。
然後引出了node中的require方法，在這裡，區分了核心模塊、內建模塊和非核心模塊幾種情況，分別詳述了載入、編譯的流程原理。在這個過程中，還分別涉及到了模塊路徑解析、模塊緩存等等知識點的描述。
最後介紹了大家不太熟悉的c/c++擴展模塊的開發，並結合一個性能對比的例子來說明其適用場景。

事實上，通過學習 Node.js 模塊載入流程，有助於我們更深刻的了解 Node.js 底層的運行原理，而掌握了其中的擴展模塊開發，並學會在適當的場景下使用，則能夠使得我們開發出的 Node.js 應用性能更高。

學習 Node.js 原理是一條漫長的路徑。建議了解了底層模塊機制的讀者，可以去更深入的學習 v8, libuv 等等知識，對於精通 Node.js，必將大有裨益。