ESModule 系列 (二)：构建下一代基础设施 PDN
借助包的分发服务，我们甚至能将本地安装依赖的速度提升10倍
ESM包的分发
什么是ESM包的分发？参考一下下面的几个网站
https://esm.sh/[1] https://cdn.skypack.dev/[2] https://jspm.org/[3]
简单来讲，这些站点都做了一件事情：将 npm 仓库上的包转化成支持 esmodule 的版本并通过 url 来进行分发。
为什么需要分发
为了迎合浏览器的发展浪潮。随着 ECMAScript 2015提出ECMAScript Module 规范以来，各个浏览器都在积极地推进着浏览器模块系统的实现。现今（2021年），各个主流浏览器已经基本全面实现并内置了ESModule系统，为了更好的利用以往用CMD或者AMD规范开发的众多 NPM 包，ESM包的分发网站应运而生。ESM可以替换掉之前使用UMD加载组件库（或其他包）的场景随着 HTTP 2/3的发展，5G 网络的普及，网络延时在 Web 交互中的权重会不断的降低，而上一代 Web 开发范式（即利用 bundle 工具如 webpack 等将源代码打成一个大的 bundle ）会逐渐被浏览器原生的模块加载机制所取代借助 CDN ，可以对一个特定版本的 NPM 包 转化而来的 ESM 包做永久存储。因为对于 NPM 的每一个包都会有版本号控制，版本号不变内容就不会变。而一个 package@version 一旦转化成 ESM 包后就可以被永久化存储 可以配合 Esbuild 等新一代构建工具提升本地依赖的安装速度（定一个小目标：提速20倍）
原理
将一个 NPM 包转化为一个支持 ESM 规范的包，需要做的其实就是针对模块语法进行升级，将传统的 ADM/CMD/UMD 语法，通过 AST 的解析，将其转化为 ESModule 语法。
困境
模块语法的转化，不同于用 babel 将 ES6 转化为 ES5，从 ES6 到 ES5 是语法上的降级，而从 ADM/CMD/UMD 模块语法到 ESM 语法的转化，是属于语法的升级，升级过程中势必会遇到很多语法兼容问题。
CMD模块语法的动态导入导出问题
众所周知，Commonjs 模块语法是动态执行的，即 require() 执行之后拿到的模块有哪些属性，只有代码真正执行到 require 函数调用的那一行时才能知道，而 ESModule 模块语法规范中，模块的引入和导出在源代码执行之前就已经通过静态语法解析完成。
// exports.cjs
module.exports = {}
// require.cjs
console.info('start require')
const { keyA } = require('./exports.cjs')
console.info('require done')
// log
start require
require done
[CJS]
// exports.mjs
export default {
KeyA,
keyB,
}
// imports.mjs
console.info('start import')
import { keyA } from './exports.mjs'
console.info('import done')
// log
error, 'keyA' is not exported by './exports.mjs'
[ESM]
可以看到，ESM 模块语法在代码执行前就会通过静态语法检测，解析出子模块的具名导出变量和默认导出变量，然后会根据导入语法，在代码真正执行前先进行一次校验，如果引入了错误的变量，会直接抛出错误；而 CJS 模块语法不会预先进行语法检测，而是运行源代码，运行到 require 函数被调用时才会去处理子模块的导出。而 CJS 和 ESM 的模块导出机制也是不同的。在 CJS 中， module.exports 和 exports 对象其实是同一个引用，即，不论用户用什么语法来导出属性，最终导出的属性全是挂在了一个对象的引用上，而其他模块引用这个模块时，require 执行之后拿到的其实就是这个引用对象。而在 ESM 中，export default 和 export {} 属于两种完全不同的导出语法，通过默认导出语法 export default 导出的值，只能通过 import A 或者 import { default as A } 来导入，通过具名导出语法 export { A } 导出的值，只能通过 import { A } 导入。这两种导入导出方式不能混用，若错误使用，浏览器底层会直接抛出错误，而在 CJS 中，由于导出的值一直是一个对象，所以通过 require 引入模块时，是不会抛出语法错误的（除非模块不存在）。而目前生态最成熟的 ESM 转化工具比如 Rollup 和 Esbuild，他们对于 CJS 模块的转化支持也不是很友好。
// react.production.js
module.exports = {
createElement,
...React
}
// react.production.transpiled.mjs
const ReactLib = _commonjs(() => {
return {
createElement,
... React
}
})
export default ReactLib
[React的ESM转化]
可以看到，React 的 cjs 代码经过 Rollup 或者 Esbuild 转化之后，会直接被编译成只有一个默认导出的模块，通过这样的转化，在使用 React 时，会与我们常规的使用习惯有所冲突。
// Success
import React from 'react.production.traspiled.mjs'
React.createElement(xxx)
// Error: 'createElement' is not exported from 'react.production.traspiled.mjs'
import { createElement } from 'react.production.traspiled.mjs'
循环引入，动态引入语法在 ESM 中没有与 CMD 对等的语法转化
在 CJS 中，由于 require 本身就是动态的同步函数，所以 CJS 本身是支持动态引入的，而在 ESM 中，原生不支持同步的动态引入，想要在 ESM 中使用动态引入语法，只能通过 import().then() 的异步引入来模拟。但是这两者其实语法并不能做等价，其中，require 是同步执行的语法，返回结果是引入的对象；而 import() 是异步执行的语法，返回结果是一个 Promise
// cjs
module.exports = {
Module: require('Module')
}
// esm
import Module from 'Module'
export default {
Module
}
[非严格意义上的动态引入转化]
通过以上方案转化来的动态引入，原语义是希望在使用的时候再引用，而转化之后的 ESM 语法将其变为了，先引用，再使用，可能导致 'Module' 模块内部实例化未完成的情况下就已经被使用，导致出现 Module.xxx is not defined 的问题。
比如 protobufjs，参考 https://cdn.skypack.dev/-/protobufjs@v6.11.2-y1acFEe2eMgyc8qMlXUx/dist=es2020,mode=imports/optimized/protobufjs.js[4]
共享 Context 重复打包的问题
由 CMD 转化为 ESM 的过程中，分发网络通常会使用 Rollup 等工具，将依赖包的源代码全部打包到一起，最后提供一个 ESM 单文件，这样可以显著的减少网络请求量（比如，请求 antd 包，如果不打包源码，可能需要递归引入 antd/es/** 下的所有文件，这样网络请求数量可能达到数百级别）。
import * as Module from 'antd.mjs'
同样的，如果引用 ESM 包的不同路径文件时，比如 swiper@6.7.0/es/index.js 和 swiper@6.7.0/esm/components/core/update ， 若这两个路径的 ESM 单文件中引用了同样的 Context （比如 React Context），那么最终每个路径的文件里面都会包含一份 Context 的代码，这就导致最终的运行结果不符合预期。
// swiper@6.7.0/es/index.js
import Context from '/common/Context'
Context.setContext({ ... })
// swiper@6.7.0/esm/components/core/update
import Context from '/common/Context'
Context.setContext({ ... })
// ESM 转化结果
// swiper@6.7.0/es/index.js
Context = React.createContext()
Context.setContext()
//swiper@6.7.0/esm/components/core/update
Context = React.createContext()
Context.setContext()
可以看到，以上两个同 ESM 包的不同路径，但是打包了两份一样的 Context。
其他问题...
解决方案
通过 AST 等方案，直接动态解析出所有
exports.xxx和Object.definedProperty(exports, 'xxx')等语句，手动将其编译成具名导出语法export { xxx }通过在
Node.js中模拟一个Browser Context，在 Context 中尝试调用require('Module')，通过 CJS 加载方式拿到模块的导出对象，将其手动编译成具名导出和默认导出方案
with (BrowserContext) {
try {
const Module = require(ModuleName)
code += `\n export {`
Object.keys(Module).forEach(namedExport => {
code += `${namedExport}, `
})
code += '}'
} catch (e) {}
}
通过动态白名单的方式，针对有动态引入的 NPM 包，在转化成 ESM 包之前，首先用 Webpack 将其 bundle 一次，然后在进行 ESM 转化。
通过动态白名单的方式，针对有共享 Context 的 NPM 包，不再打包所有源码
其他解决方案...
在漫长的踩坑与实践中，我们内部已经基本实现了 NPM 包转化 ESM 的分发服务（相比较市面上的分发服务，该服务将转化过程中遇到的问题进一步抽象，实现了一层修复层，可以支持动态修复）。
下一代开发工具
前几期我们已经有同学介绍了如何开发一个 unbudnled 开发工具；在这里，「下一代」开发工具指的就是「unbundle」开发工具，下面要讲的，就是围绕「unbundle」这个词。
原理
目前市面上流行的 unbundle 开发工具，比如 Vite，Snowpack，它们的底层核心架构基本都是一致的，即将源码与第三方依赖分开单独做处理。
在 dev server 启动前，开发工具首先会遍历源码目录，解析每个源码文件 AST 中所有的 ImportDeclaration，拿到所有的第三方依赖路径；然后将解析出的第三方依赖路径作为 entryPoints 传入传统的构建工具（Webpack，Rollup，Esbuild 等），打出一个多入口的另类 node_modules，在这个 node_modules 中，除了传入的 entryPoints 继续作为目标文件存在外，其他的公共依赖部分都会被打成一个大的 chunks。
[原始node_modules]
[bundle后的node_modules]
在 node_modules 处理完之后，接下来工具对源码不会做任何处理，直接启动 dev server，通常在 unbundle 开发工具中，默认的首页模板通常会包含下面这样的代码
<script type="module" src="/index.js" />
这样，在用户访问首页时，已经实现了 ECMAScript Module 机制的浏览器会自动去请求 /index.js 文件，请求会被 dev server 做拦截，同时代理到源代码中的 src/index.js 文件上。
优势
基于浏览器的 ESModule 加载机制，开发工具可以不用在每次启动 dev server 时都去打包源代码，基于这个思路，将第三方依赖和源代码区分开，对第三方依赖单独打包，而且由于第三方依赖是持久不变的，可以一次打包，次次使用（不新增新的依赖的情况下）。
在这种架构下，当第三方依赖已经被预处理之后的情况下，理论上每次启动 dev server 的时间可以达到秒级，对于传统的构建工具（Webpack，Rollup），开发服务器的启动速度可以说是提升了2个数量级。
思考
与分发服务结合，不安装依赖，快速开发
试想一下，在 Snowpack / Vite 的基础之上。我如果直接在源代码里面引用一个没有安装在本地的依赖，然后 dev server 直接连接到 ESM 分发服务，直接使用线上的包，同时检测一下这个依赖的版本，自动更新到 package.json 中，并在后台自动运行 install 进程。
在这个过程中，我没有安装新的依赖，但是可以直接在源代码中使用，所见即所得，无需等待。同时在开发过程中，这个依赖也会经由开发工具自动检测并安装到本地，在后续 dev server 重启的过程中会自动同步最新的本地依赖状况。
快速安装依赖
上一点说到，可以通过将 ESM 包分发服务与下一代开发工具结合，来实现本地开发体验的巨大飞跃。更激进一点，能不能通过 ESM 包的服务直接干掉 node_modules，或者说，换一个更精简，更快就能安装下来的 node_modules 呢？答案当然是肯定的。
通过分析 Vite 和 Snowpack 的源码，可以发现，这一类开发工具底层处理 node_modules 的方案，都是通过 Rollup / Esbuild，传入 entryPoints 的方式来对 node_moduels 进行预处理，从而构建出一个全 ESM 化的 node_modules。
那么我们可以直接在这一步的基础之上，通过开发 Rollup / Esbuild 插件，将读取本地文件的过程全部代理到 ESM 包的分发服务上去。而由于 ESM 包的分发服务对每个包的处理是将包的源码进行打包，因此在文件数量上会呈现数十倍的下降；而打包结果会永久存储到CDN上，等于一次安装，永久使用，相较于本地npm安装依赖时每次都需要下载依赖的整个 zip 包，网络 I/O 的耗时也会呈现数倍的下降。
基于这样一种思路实现的依赖安装工具，不仅可以完整还原 node_moduels 的目录结构，而且安装速度相较于 yarn/npm/pnpm ，也会有数倍的提升，尤其是在有锁文件的情况下，安装速度提升十倍也不是不可能。
[没有锁文件的情况下，通过 yarn 安装依赖的速度]
[没有锁文件的情况下，通过上述方案安装依赖的速度]
[有锁文件的情况下，通过通过 yarn 安装依赖的速度]
[有锁文件的情况下，通过上述方案安装依赖的速度]
目前，新一代依赖管理工具和新一代开发工具的工作还处于初期，整个工程还有巨大的优化空间，包括安装速度的进一步提升，对本地缓存的进一步利用，对 monorepo 的支持等...
后续的进展我们会持续与大家进行分享；当然，如果屏幕前的你对这些工作有兴趣，欢迎扫描下方的二维码加入我们一起建设。
参考资料
https://esm.sh/: https://esm.sh/
[2]https://cdn.skypack.dev/: https://cdn.skypack.dev/
[3]https://jspm.org/: https://jspm.org/
[4]https://cdn.skypack.dev/-/protobufjs@v6.11.2-y1acFEe2eMgyc8qMlXUx/dist=es2020,mode=imports/optimized/protobufjs.js: https://cdn.skypack.dev/-/protobufjs@v6.11.2-y1acFEe2eMgyc8qMlXUx/dist=es2020,mode=imports/optimized/protobufjs.js