npm install 原理分析

JavaScript/前端
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2022-05-28
前端数据存储，你还在用localStorage？
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npm install、npm install --save与npm install -dev区别
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标签   NodeJs

这是ConardLi的第 71 篇原创，谢谢你的支持！

开门见山，npm install 大概会经过上面的几个流程，本篇文章来讲一讲各个流程的实现细节、发展以及为何要这样实现。

嵌套结构

我们都知道，执行 npm install 后，依赖包被安装到了 node_modules ，下面我们来具体了解下，npm 将依赖包安装到 node_modules 的具体机制是什么。

在 npm 的早期版本， npm 处理依赖的方式简单粗暴，以递归的形式，严格按照 package.json 结构以及子依赖包的 package.json 结构将依赖安装到他们各自的 node_modules 中。直到有子依赖包不在依赖其他模块。

举个例子，我们的模块 my-app 现在依赖了两个模块：buffer、ignore：

{"name": "my-app","dependencies": {"buffer": "^5.4.3","ignore": "^5.1.4",}
}

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ignore是一个纯 JS 模块，不依赖任何其他模块，而 buffer 又依赖了下面两个模块：base64-js 、 ieee754。

{"name": "buffer","dependencies": {"base64-js": "^1.0.2","ieee754": "^1.1.4"}
}

那么，执行 npm install 后，得到的 node_modules 中模块目录结构就是下面这样的：

这样的方式优点很明显， node_modules 的结构和 package.json 结构一一对应，层级结构明显，并且保证了每次安装目录结构都是相同的。

但是，试想一下，如果你依赖的模块非常之多，你的 node_modules 将非常庞大，嵌套层级非常之深：

  • 在不同层级的依赖中，可能引用了同一个模块，导致大量冗余。
  • 在 Windows 系统中，文件路径最大长度为260个字符，嵌套层级过深可能导致不可预知的问题。

扁平结构

为了解决以上问题，NPM 在 3.x 版本做了一次较大更新。其将早期的嵌套结构改为扁平结构：

  • 安装模块时，不管其是直接依赖还是子依赖的依赖，优先将其安装在 node_modules 根目录。

还是上面的依赖结构，我们在执行 npm install 后将得到下面的目录结构：

此时我们若在模块中又依赖了 base64-js@1.0.1 版本：

{"name": "my-app","dependencies": {"buffer": "^5.4.3","ignore": "^5.1.4","base64-js": "1.0.1",}
}

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  • 当安装到相同模块时，判断已安装的模块版本是否符合新模块的版本范围，如果符合则跳过，不符合则在当前模块的 node_modules 下安装该模块。

此时，我们在执行 npm install 后将得到下面的目录结构：

对应的，如果我们在项目代码中引用了一个模块，模块查找流程如下：

  • 在当前模块路径下搜索
  • 在当前模块 node_modules 路径下搜素
  • 在上级模块的 node_modules 路径下搜索
  • ...
  • 直到搜索到全局路径中的 node_modules

假设我们又依赖了一个包 buffer2@^5.4.3，而它依赖了包 base64-js@1.0.3，则此时的安装结构是下面这样的：

所以 npm 3.x 版本并未完全解决老版本的模块冗余问题，甚至还会带来新的问题。

试想一下，你的APP假设没有依赖 base64-js@1.0.1 版本，而你同时依赖了依赖不同 base64-js 版本的 buffer 和 buffer2。由于在执行 npm install 的时候，按照 package.json 里依赖的顺序依次解析，则 buffer 和 buffer2 在 package.json 的放置顺序则决定了 node_modules 的依赖结构：

先依赖buffer2：

先依赖buffer：

另外，为了让开发者在安全的前提下使用最新的依赖包，我们在 package.json 通常只会锁定大版本，这意味着在某些依赖包小版本更新后，同样可能造成依赖结构的改动，依赖结构的不确定性可能会给程序带来不可预知的问题。

Lock文件

为了解决 npm install 的不确定性问题，在 npm 5.x 版本新增了 package-lock.json 文件，而安装方式还沿用了 npm 3.x 的扁平化的方式。

package-lock.json 的作用是锁定依赖结构，即只要你目录下有 package-lock.json 文件，那么你每次执行 npm install 后生成的 node_modules 目录结构一定是完全相同的。

例如，我们有如下的依赖结构：

{"name": "my-app","dependencies": {"buffer": "^5.4.3","ignore": "^5.1.4","base64-js": "1.0.1",}
}

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在执行 npm install 后生成的 package-lock.json 如下：

{"name": "my-app","version": "1.0.0","dependencies": {"base64-js": {"version": "1.0.1","resolved": "https://registry.npmjs.org/base64-js/-/base64-js-1.0.1.tgz","integrity": "sha1-aSbRsZT7xze47tUTdW3i/Np+pAg="},"buffer": {"version": "5.4.3","resolved": "https://registry.npmjs.org/buffer/-/buffer-5.4.3.tgz","integrity": "sha512-zvj65TkFeIt3i6aj5bIvJDzjjQQGs4o/sNoezg1F1kYap9Nu2jcUdpwzRSJTHMMzG0H7bZkn4rNQpImhuxWX2A==","requires": {"base64-js": "^1.0.2","ieee754": "^1.1.4"},"dependencies": {"base64-js": {"version": "1.3.1","resolved": "https://registry.npmjs.org/base64-js/-/base64-js-1.3.1.tgz","integrity": "sha512-mLQ4i2QO1ytvGWFWmcngKO//JXAQueZvwEKtjgQFM4jIK0kU+ytMfplL8j+n5mspOfjHwoAg+9yhb7BwAHm36g=="}}},"ieee754": {"version": "1.1.13","resolved": "https://registry.npmjs.org/ieee754/-/ieee754-1.1.13.tgz","integrity": "sha512-4vf7I2LYV/HaWerSo3XmlMkp5eZ83i+/CDluXi/IGTs/O1sejBNhTtnxzmRZfvOUqj7lZjqHkeTvpgSFDlWZTg=="},"ignore": {"version": "5.1.4","resolved": "https://registry.npmjs.org/ignore/-/ignore-5.1.4.tgz","integrity": "sha512-MzbUSahkTW1u7JpKKjY7LCARd1fU5W2rLdxlM4kdkayuCwZImjkpluF9CM1aLewYJguPDqewLam18Y6AU69A8A=="}}
}

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我们来具体看看上面的结构：

最外面的两个属性 name 、version 同 package.json 中的 name 和 version ，用于描述当前包名称和版本。

dependencies 是一个对象，对象和 node_modules 中的包结构一一对应，对象的 key 为包名称，值为包的一些描述信息：

  • version：包版本 —— 这个包当前安装在 node_modules 中的版本
  • resolved：包具体的安装来源
  • integrity：包 hash 值，基于 Subresource Integrity 来验证已安装的软件包是否被改动过、是否已失效
  • requires：对应子依赖的依赖，与子依赖的 package.json 中 dependencies的依赖项相同。
  • dependencies：结构和外层的 dependencies 结构相同，存储安装在子依赖 node_modules 中的依赖包。

这里注意，并不是所有的子依赖都有 dependencies 属性，只有子依赖的依赖和当前已安装在根目录的 node_modules 中的依赖冲突之后，才会有这个属性。

例如，回顾下上面的依赖关系：

我们在 my-app 中依赖的 base64-js@1.0.1 版本与 buffer 中依赖的 base64-js@^1.0.2 发生冲突，所以 base64-js@1.0.1 需要安装在 buffer 包的 node_modules 中，对应了 package-lock.json 中 buffer 的 dependencies 属性。这也对应了 npm 对依赖的扁平化处理方式。

所以，根据上面的分析， package-lock.json 文件 和 node_modules 目录结构是一一对应的，即项目目录下存在 package-lock.json 可以让每次安装生成的依赖目录结构保持相同。

另外，项目中使用了 package-lock.json 可以显著加速依赖安装时间。

我们使用 npm i --timing=true --loglevel=verbose 命令可以看到 npm install 的完整过程，下面我们来对比下使用 lock 文件和不使用 lock 文件的差别。在对比前先清理下npm 缓存。

不使用 lock 文件：

使用 lock 文件：

可见， package-lock.json 中已经缓存了每个包的具体版本和下载链接，不需要再去远程仓库进行查询，然后直接进入文件完整性校验环节，减少了大量网络请求。

使用建议

开发系统应用时，建议把 package-lock.json 文件提交到代码版本仓库，从而保证所有团队开发者以及 CI 环节可以在执行 npm install 时安装的依赖版本都是一致的。

在开发一个 npm包 时，你的 npm包 是需要被其他仓库依赖的，由于上面我们讲到的扁平安装机制，如果你锁定了依赖包版本，你的依赖包就不能和其他依赖包共享同一 semver 范围内的依赖包，这样会造成不必要的冗余。所以我们不应该把package-lock.json 文件发布出去（ npm 默认也不会把 package-lock.json 文件发布出去）。

缓存

在执行 npm install 或 npm update命令下载依赖后，除了将依赖包安装在node_modules 目录下外，还会在本地的缓存目录缓存一份。

通过 npm config get cache 命令可以查询到：在 Linux 或 Mac 默认是用户主目录下的 .npm/_cacache 目录。

在这个目录下又存在两个目录：content-v2、index-v5，content-v2 目录用于存储 tar包的缓存，而index-v5目录用于存储tar包的 hash。

npm 在执行安装时，可以根据 package-lock.json 中存储的 integrity、version、name 生成一个唯一的 key 对应到 index-v5 目录下的缓存记录，从而找到 tar包的 hash，然后根据 hash 再去找缓存的 tar包直接使用。

我们可以找一个包在缓存目录下搜索测试一下，在 index-v5 搜索一下包路径：

grep "https://registry.npmjs.org/base64-js/-/base64-js-1.0.1.tgz" -r index-v5

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然后我们将json格式化：

{"key": "pacote:version-manifest:https://registry.npmjs.org/base64-js/-/base64-js-1.0.1.tgz:sha1-aSbRsZT7xze47tUTdW3i/Np+pAg=","integrity": "sha512-C2EkHXwXvLsbrucJTRS3xFHv7Mf/y9klmKDxPTE8yevCoH5h8Ae69Y+/lP+ahpW91crnzgO78elOk2E6APJfIQ==","time": 1575554308857,"size": 1,"metadata": {"id": "base64-js@1.0.1","manifest": {"name": "base64-js","version": "1.0.1","engines": {"node": ">= 0.4"},"dependencies": {},"optionalDependencies": {},"devDependencies": {"standard": "^5.2.2","tape": "4.x"},"bundleDependencies": false,"peerDependencies": {},"deprecated": false,"_resolved": "https://registry.npmjs.org/base64-js/-/base64-js-1.0.1.tgz","_integrity": "sha1-aSbRsZT7xze47tUTdW3i/Np+pAg=","_shasum": "6926d1b194fbc737b8eed513756de2fcda7ea408","_shrinkwrap": null,"bin": null,"_id": "base64-js@1.0.1"},"type": "finalized-manifest"}
}

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上面的 _shasum 属性 6926d1b194fbc737b8eed513756de2fcda7ea408 即为 tar 包的 hash， hash的前几位 6926 即为缓存的前两层目录，我们进去这个目录果然找到的压缩后的依赖包：

以上的缓存策略是从 npm v5 版本开始的，在 npm v5 版本之前，每个缓存的模块在 ~/.npm 文件夹中以模块名的形式直接存储，储存结构是{cache}/{name}/{version}。

npm 提供了几个命令来管理缓存数据：

  • npm cache add：官方解释说这个命令主要是 npm 内部使用，但是也可以用来手动给一个指定的 package 添加缓存。
  • npm cache clean：删除缓存目录下的所有数据，为了保证缓存数据的完整性，需要加上 --force 参数。
  • npm cache verify：验证缓存数据的有效性和完整性，清理垃圾数据。

基于缓存数据，npm 提供了离线安装模式，分别有以下几种：

  • --prefer-offline：优先使用缓存数据，如果没有匹配的缓存数据，则从远程仓库下载。
  • --prefer-online：优先使用网络数据，如果网络数据请求失败，再去请求缓存数据，这种模式可以及时获取最新的模块。
  • --offline：不请求网络，直接使用缓存数据，一旦缓存数据不存在，则安装失败。

文件完整性

上面我们多次提到了文件完整性，那么什么是文件完整性校验呢？

在下载依赖包之前，我们一般就能拿到 npm 对该依赖包计算的 hash 值，例如我们执行 npm info 命令，紧跟 tarball(下载链接) 的就是 shasum(hash) ：

用户下载依赖包到本地后，需要确定在下载过程中没有出现错误，所以在下载完成之后需要在本地在计算一次文件的 hash 值，如果两个 hash 值是相同的，则确保下载的依赖是完整的，如果不同，则进行重新下载。

整体流程

好了，我们再来整体总结下上面的流程：

  • 检查 .npmrc 文件：优先级为：项目级的 .npmrc 文件 > 用户级的 .npmrc 文件> 全局级的 .npmrc 文件 > npm 内置的 .npmrc 文件
  • 检查项目中有无 lock 文件。
  • 无 lock 文件：
  • 从 npm 远程仓库获取包信息
  • 根据 package.json 构建依赖树，构建过程：
  • 构建依赖树时，不管其是直接依赖还是子依赖的依赖，优先将其放置在 node_modules 根目录。
  • 当遇到相同模块时，判断已放置在依赖树的模块版本是否符合新模块的版本范围，如果符合则跳过，不符合则在当前模块的 node_modules 下放置该模块。
  • 注意这一步只是确定逻辑上的依赖树，并非真正的安装，后面会根据这个依赖结构去下载或拿到缓存中的依赖包
  • 在缓存中依次查找依赖树中的每个包
  • 不存在缓存：
  • 从 npm 远程仓库下载包
  • 校验包的完整性
  • 校验不通过：
  • 重新下载
  • 校验通过：
  • 将下载的包复制到 npm 缓存目录
  • 将下载的包按照依赖结构解压到 node_modules
  • 存在缓存：将缓存按照依赖结构解压到 node_modules
  • 将包解压到 node_modules
  • 生成 lock 文件

有 lock 文件：

  • 检查 package.json 中的依赖版本是否和 package-lock.json 中的依赖有冲突。
  • 如果没有冲突，直接跳过获取包信息、构建依赖树过程，开始在缓存中查找包信息，后续过程相同

上面的过程简要描述了 npm install 的大概过程，这个过程还包含了一些其他的操作，例如执行你定义的一些生命周期函数，你可以执行 npm install package --timing=true --loglevel=verbose 来查看某个包具体的安装流程和细节。

yarn

yarn 是在 2016 年发布的，那时 npm 还处于 V3 时期，那时候还没有 package-lock.json 文件，就像上面我们提到的：不稳定性、安装速度慢等缺点经常会受到广大开发者吐槽。此时，yarn 诞生：

上面是官网提到的 yarn 的优点，在那个时候还是非常吸引人的。当然，后来 npm 也意识到了自己的问题，进行了很多次优化，在后面的优化（lock文件、缓存、默认-s...）中，我们多多少少能看到 yarn 的影子，可见 yarn 的设计还是非常优秀的。

yarn 也是采用的是 npm v3 的扁平结构来管理依赖，安装依赖后默认会生成一个 yarn.lock 文件，还是上面的依赖关系，我们看看 yarn.lock 的结构：

# THIS IS AN AUTOGENERATED FILE. DO NOT EDIT THIS FILE DIRECTLY.
# yarn lockfile v1


base64-js@1.0.1:
  version "1.0.1"
  resolved "https://registry.yarnpkg.com/base64-js/-/base64-js-1.0.1.tgz#6926d1b194fbc737b8eed513756de2fcda7ea408"
  integrity sha1-aSbRsZT7xze47tUTdW3i/Np+pAg=

base64-js@^1.0.2:
  version "1.3.1"
  resolved "https://registry.yarnpkg.com/base64-js/-/base64-js-1.3.1.tgz#58ece8cb75dd07e71ed08c736abc5fac4dbf8df1"
  integrity sha512-mLQ4i2QO1ytvGWFWmcngKO//JXAQueZvwEKtjgQFM4jIK0kU+ytMfplL8j+n5mspOfjHwoAg+9yhb7BwAHm36g==

buffer@^5.4.3:
  version "5.4.3"
  resolved "https://registry.yarnpkg.com/buffer/-/buffer-5.4.3.tgz#3fbc9c69eb713d323e3fc1a895eee0710c072115"
  integrity sha512-zvj65TkFeIt3i6aj5bIvJDzjjQQGs4o/sNoezg1F1kYap9Nu2jcUdpwzRSJTHMMzG0H7bZkn4rNQpImhuxWX2A==
  dependencies:
    base64-js "^1.0.2"
    ieee754 "^1.1.4"

ieee754@^1.1.4:
  version "1.1.13"
  resolved "https://registry.yarnpkg.com/ieee754/-/ieee754-1.1.13.tgz#ec168558e95aa181fd87d37f55c32bbcb6708b84"
  integrity sha512-4vf7I2LYV/HaWerSo3XmlMkp5eZ83i+/CDluXi/IGTs/O1sejBNhTtnxzmRZfvOUqj7lZjqHkeTvpgSFDlWZTg==

ignore@^5.1.4:
  version "5.1.4"
  resolved "https://registry.yarnpkg.com/ignore/-/ignore-5.1.4.tgz#84b7b3dbe64552b6ef0eca99f6743dbec6d97adf"
  integrity sha512-MzbUSahkTW1u7JpKKjY7LCARd1fU5W2rLdxlM4kdkayuCwZImjkpluF9CM1aLewYJguPDqewLam18Y6AU69A8A==

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可见其和 package-lock.json 文件还是比较类似的，还有一些区别就是：

  • package-lock.json 使用的是 json 格式，yarn.lock 使用的是一种自定义格式
  • yarn.lock 中子依赖的版本号不是固定的，意味着单独又一个 yarn.lock 确定不了 node_modules 目录结构，还需要和 package.json 文件进行配合。而 package-lock.json 只需要一个文件即可确定。

yarn 的缓策略看起来和 npm v5 之前的很像，每个缓存的模块被存放在独立的文件夹，文件夹名称包含了模块名称、版本号等信息。使用命令 yarn cache dir 可以查看缓存数据的目录：

yarn 默认使用 prefer-online 模式，即优先使用网络数据，如果网络数据请求失败，再去请求缓存数据。


前端数据存储，你还在用localStorage？
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