Vite的原理

2023-11-09

背景

这里的背景介绍会从与Vite紧密相关的两个概念的发展史说起，一个是JavaScript的模块化标准，另一个是前端构建工具。

共存的模块化标准

为什么JavaScript会有多种共存的模块化标准？因为js在设计之初并没有模块化的概念，随着前端业务复杂度不断提高，模块化越来越受到开发者的重视，社区开始涌现多种模块化解决方案，它们相互借鉴，也争议不断，形成多个派系，从CommonJS开始，到ES6正式推出ES Modules规范结束，所有争论，终成历史，ES Modules也成为前端重要的基础设施。

CommonJS：现主要用于Node.js（Node@13.2.0开始支持直接使用ES Module）
AMD：require.js 依赖前置，市场存量不建议使用
CMD：sea.js 就近执行，市场存量不建议使用
ES Module：ES语言规范，标准，趋势，未来

对模块化发展史感兴趣的可以看下《前端模块化开发那点历史》@玉伯，而Vite的核心正是依靠浏览器对ES Module规范的实现。

发展中的构建工具

近些年前端工程化发展迅速，各种构建工具层出不穷，目前Webpack仍然占据统治地位，npm 每周下载量达到两千多万次。下面是我按 npm 发版时间线列出的开发者比较熟知的一些构建工具。

当前工程化痛点

现在常用的构建工具如Webpack，主要是通过抓取-编译-构建整个应用的代码（也就是常说的打包过程），生成一份编译、优化后能良好兼容各个浏览器的的生产环境代码。在开发环境流程也基本相同，需要先将整个应用构建打包后，再把打包后的代码交给dev server（开发服务器）。

Webpack等构建工具的诞生给前端开发带来了极大的便利，但随着前端业务的复杂化，js代码量呈指数增长，打包构建时间越来越久，dev server（开发服务器）性能遇到瓶颈：

缓慢的服务启动： 大型项目中dev server启动时间达到几十秒甚至几分钟。
缓慢的HMR热更新： 即使采用了 HMR 模式，其热更新速度也会随着应用规模的增长而显著下降，已达到性能瓶颈，无多少优化空间。

缓慢的开发环境，大大降低了开发者的幸福感，在以上背景下Vite应运而生。

什么是Vite？

基于esbuild与Rollup，依靠浏览器自身ESM编译功能，实现极致开发体验的新一代构建工具！

概念

先介绍以下文中会经常提到的一些基础概念：

依赖： 指开发不会变动的部分(npm包、UI组件库)，esbuild进行预构建。
源码： 浏览器不能直接执行的非js代码(.jsx、.css、.vue等)，vite只在浏览器请求相关源码的时候进行转换，以提供ESM源码。

开发环境

利用浏览器原生的ES Module编译能力，省略费时的编译环节，直给浏览器开发环境源码，dev server只提供轻量服务。
浏览器执行ESM的import时，会向dev server发起该模块的ajax请求，服务器对源码做简单处理后返回给浏览器。
Vite中HMR是在原生 ESM 上执行的。当编辑一个文件时，Vite 只需要精确地使已编辑的模块失活，使得无论应用大小如何，HMR 始终能保持快速更新。
使用esbuild处理项目依赖，esbuild使用go编写，比一般node.js编写的编译器快几个数量级。

生产环境

集成Rollup打包生产环境代码，依赖其成熟稳定的生态与更简洁的插件机制。

处理流程对比

Webpack通过先将整个应用打包，再将打包后代码提供给dev server，开发者才能开始开发。

Vite直接将源码交给浏览器，实现dev server秒开，浏览器显示页面需要相关模块时，再向dev server发起请求，服务器简单处理后，将该模块返回给浏览器，实现真正意义的按需加载。

基本用法

创建vite项目

$ npm create vite@latest

选取模板

Vite 内置6种常用模板与对应的TS版本，可满足前端大部分开发场景，可以点击下列表格中模板直接在 StackBlitz 中在线试用，还有其他更多的社区维护模板可以使用。

JavaScript	TypeScript
vanilla	vanilla-ts
vue	vue-ts
react	react-ts
preact	preact-ts
lit	lit-ts
svelte	svelte-ts

启动

{
  "scripts": {
    "dev": "vite", // 启动开发服务器，别名：`vite dev`，`vite serve`
    "build": "vite build", // 为生产环境构建产物
    "preview": "vite preview" // 本地预览生产构建产物
  }
}

实现原理

ESbuild 编译

esbuild 使用go编写，cpu密集下更具性能优势，编译速度更快，以下摘自官网的构建速度对比：
浏览器：“开始了吗？”
服务器：“已经结束了。”

依赖预构建

模块化兼容： 如开头背景所写，现仍共存多种模块化标准代码，Vite在预构建阶段将依赖中各种其他模块化规范(CommonJS、UMD)转换成ESM，以提供给浏览器。
性能优化： npm包中大量的ESM代码，大量的import请求，会造成网络拥塞。Vite使用esbuild，将有大量内部模块的ESM关系转换成单个模块，以减少 import模块请求次数。

按需加载

服务器只在接受到import请求的时候，才会编译对应的文件，将ESM源码返回给浏览器，实现真正的按需加载。

缓存

HTTP缓存： 充分利用http缓存做优化，依赖（不会变动的代码）部分用max-age,immutable 强缓存，源码部分用304协商缓存，提升页面打开速度。
文件系统缓存： Vite在预构建阶段，将构建后的依赖缓存到node_modules/.vite ，相关配置更改时，或手动控制时才会重新构建，以提升预构建速度。

重写模块路径

浏览器import只能引入相对/绝对路径，而开发代码经常使用npm包名直接引入node_module中的模块，需要做路径转换后交给浏览器。

es-module-lexer 扫描 import 语法
magic-string 重写模块的引入路径

// 开发代码
import { createApp } from 'vue'

// 转换后
import { createApp } from '/node_modules/vue/dist/vue.js'

源码分析

与Webpack-dev-server类似Vite同样使用WebSocket与客户端建立连接，实现热更新，源码实现基本可分为两部分，源码位置在:

vite/packages/vite/src/client client（用于客户端）
vite/packages/vite/src/node server（用于开发服务器）

client 代码会在启动服务时注入到客户端，用于客户端对于WebSocket消息的处理（如更新页面某个模块、刷新页面）；server 代码是服务端逻辑，用于处理代码的构建与页面模块的请求。

简单看了下源码（vite@2.7.2），核心功能主要是以下几个方法（以下为源码截取，部分逻辑做了删减）：

命令行启动服务npm run dev后，源码执行cli.ts，调用createServer方法，创建http服务，监听开发服务器端口。

// 源码位置 vite/packages/vite/src/node/cli.ts
const { createServer } = await import('./server')
try {
    const server = await createServer({
        root,
        base: options.base,
        ...
    })
    if (!server.httpServer) {
        throw new Error('HTTP server not available')
    }
    await server.listen()
}

createServer方法的执行做了很多工作，如整合配置项、创建http服务（早期通过koa创建）、创建WebSocket服务、创建源码的文件监听、插件执行、optimize优化等。下面注释中标出。

// 源码位置 vite/packages/vite/src/node/server/index.ts
export async function createServer(
    inlineConfig: InlineConfig = {}
): Promise<ViteDevServer> {
    // Vite 配置整合
    const config = await resolveConfig(inlineConfig, 'serve', 'development')
    const root = config.root
    const serverConfig = config.server

    // 创建http服务
    const httpServer = await resolveHttpServer(serverConfig, middlewares, httpsOptions)

    // 创建ws服务
    const ws = createWebSocketServer(httpServer, config, httpsOptions)

    // 创建watcher，设置代码文件监听
    const watcher = chokidar.watch(path.resolve(root), {
        ignored: [
            '**/node_modules/**',
            '**/.git/**',
            ...(Array.isArray(ignored) ? ignored : [ignored])
        ],
        ...watchOptions
    }) as FSWatcher

    // 创建server对象
    const server: ViteDevServer = {
        config,
        middlewares,
        httpServer,
        watcher,
        ws,
        moduleGraph,
        listen,
        ...
    }

    // 文件监听变动，websocket向前端通信
    watcher.on('change', async (file) => {
        ...
        handleHMRUpdate()
    })

    // 非常多的 middleware
    middlewares.use(...)
    
    // optimize
    const runOptimize = async () => {...}

    return server
}

使用chokidar监听文件变化，绑定监听事件。

// 源码位置 vite/packages/vite/src/node/server/index.ts
  const watcher = chokidar.watch(path.resolve(root), {
    ignored: [
      '**/node_modules/**',
      '**/.git/**',
      ...(Array.isArray(ignored) ? ignored : [ignored])
    ],
    ignoreInitial: true,
    ignorePermissionErrors: true,
    disableGlobbing: true,
    ...watchOptions
  }) as FSWatcher

通过 ws 来创建WebSocket服务，用于监听到文件变化时触发热更新，向客户端发送消息。

// 源码位置 vite/packages/vite/src/node/server/ws.ts
export function createWebSocketServer(...){
    let wss: WebSocket
    const hmr = isObject(config.server.hmr) && config.server.hmr
    const wsServer = (hmr && hmr.server) || server

    if (wsServer) {
        wss = new WebSocket({ noServer: true })
        wsServer.on('upgrade', (req, socket, head) => {
            // 服务就绪
            if (req.headers['sec-websocket-protocol'] === HMR_HEADER) {
                wss.handleUpgrade(req, socket as Socket, head, (ws) => {
                    wss.emit('connection', ws, req)
                })
            }
        })
    } else {
        ...
    }
    // 服务准备就绪，就能在浏览器控制台看到熟悉的打印 [vite] connected.
    wss.on('connection', (socket) => {
        socket.send(JSON.stringify({ type: 'connected' }))
        ...
    })
    // 失败
    wss.on('error', (e: Error & { code: string }) => {
        ...
    })
    // 返回ws对象
    return {
        on: wss.on.bind(wss),
        off: wss.off.bind(wss),
        // 向客户端发送信息
        // 多个客户端同时触发
        send(payload: HMRPayload) {
            const stringified = JSON.stringify(payload)
            wss.clients.forEach((client) => {
                // readyState 1 means the connection is open
                client.send(stringified)
            })
        }
    }
}

在服务启动时会向浏览器注入代码，用于处理客户端接收到的WebSocket消息，如重新发起模块请求、刷新页面。

//源码位置 vite/packages/vite/src/client/client.ts
async function handleMessage(payload: HMRPayload) {
  switch (payload.type) {
    case 'connected':
      console.log(`[vite] connected.`)
      break
    case 'update':
      notifyListeners('vite:beforeUpdate', payload)
      ...
      break
    case 'custom': {
      notifyListeners(payload.event as CustomEventName<any>, payload.data)
      ...
      break
    }
    case 'full-reload':
      notifyListeners('vite:beforeFullReload', payload)
      ...
      break
    case 'prune':
      notifyListeners('vite:beforePrune', payload)
      ...
      break
    case 'error': {
      notifyListeners('vite:error', payload)
      ...
      break
    }
    default: {
      const check: never = payload
      return check
    }
  }
}

优势

快！快！非常快！！
高度集成，开箱即用。
基于ESM急速热更新，无需打包编译。
基于esbuild的依赖预处理，比Webpack等node编写的编译器快几个数量级。
兼容Rollup庞大的插件机制，插件开发更简洁。
不与Vue绑定，支持React等其他框架，独立的构建工具。
内置SSR支持。
天然支持TS。

不足

Vue仍为第一优先支持，量身定做的编译插件，对React的支持不如Vue强大。
虽然已经推出2.0正式版，已经可以用于正式线上生产，但目前市场上实践少。
生产环境集成Rollup打包，与开发环境最终执行的代码不一致。

与 webpack 对比

由于Vite主打的是开发环境的极致体验，生产环境集成Rollup，这里的对比主要是Webpack-dev-server与Vite-dev-server的对比：

到目前很长时间以来Webpack在前端工程领域占统治地位，Vite推出以来备受关注，社区活跃，GitHub star 数量激增，目前达到37.4K
Webpack配置丰富使用极为灵活但上手成本高，Vite开箱即用配置高度集成
Webpack启动服务需打包构建，速度慢，Vite免编译可秒开
Webpack热更新需打包构建，速度慢，Vite毫秒响应
Webpack成熟稳定、资源丰富、大量实践案例，Vite实践较少
Vite使用esbuild编译，构建速度比webpack快几个数量级

兼容性

默认目标浏览器是在script标签上支持原生 ESM 和原生 ESM 动态导入
可使用官方插件 @vitejs/plugin-legacy，转义成传统版本和相对应的polyfill

未来探索

传统构建工具性能已到瓶颈，主打开发体验的Vite，可能会受到欢迎。
主流浏览器基本支持ESM，ESM将成为主流。
Vite在Vue3.0代替vue-cli，作为官方脚手架，会大大提高使用量。
Vite2.0推出后，已可以在实际项目中使用Vite。
如果觉得直接使用Vite太冒险，又确实有dev server速度慢的问题需要解决，可以尝试用Vite单独搭建一套dev server