手写一个 ts-node 来深入理解它的原理 - 哈喽比特

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当我们用 Typesript 来写 Node.js 的代码，写完代码之后要用 tsc 作编译，之后再用 Node.js 来跑，这样比较麻烦，所以我们会用 ts-node 来直接跑 ts 代码，省去了编译阶段。

有没有觉得很神奇，ts-node 怎么做到的直接跑 ts 代码的？

其实原理并不难，今天我们来实现一个 ts-node 吧。

相关基础

实现 ts-node 需要 3 方面的基础知识：

require hook
repl 模块、vm 模块
ts compiler api

我们先学下这些基础

require hook

Node.js 当 require 一个 js 模块的时候，内部会分别调用 Module.load、 Module._extensions['.js']，Module._compile 这三个方法，然后才是执行。

同理，ts 模块、json 模块等也是一样的流程，那么我们只需要修改 Module._extensions[扩展名] 的方法，就能达到 hook 的目的：

require.extensions['.ts'] = function(module, filename) {
    // 修改代码
    module._compile(修改后的代码, filename);
}

比如上面我们注册了 ts 的处理函数，这样当处理 ts 模块时就会调用这个方法，所以我们在这里面做编译就可以了，这就是 ts-node 能够直接执行 ts 的原理。

repl 模块

Node.js 提供了 repl 模块可以创建 Read、Evaluate、Print、Loop 的命令行交互环境，就是那种一问一答的方式。ts-node 也支持 repl 的模式，可以直接写 ts 代码然后执行，原理就是基于 repl 模块做的扩展。

repl 的 api 是这样的：通过 start 方法来创建一个 repl 的交互，可以指定提示符 prompt，可以自己实现 eval 的处理逻辑：

const repl = require('repl');

const r = repl.start({ 
    prompt: '- . - > ', 
    eval: myEval 
});

function myEval(cmd, context, filename, callback) {
    // 对输入的命令做处理
    callback(null, 处理后的内容);
}

repl 的执行时有一个上下文的，在这里就是 r.context，我们在这个上下文里执行代码要使用 vm 模块：

const vm = require('vm');

const res = vm.runInContext(要执行的代码, r.context);

这两个模块结合，就可以实现一问一答的命令行交互，而且 ts 的编译也可以放在 eval 的时候做，这样就实现了直接执行 ts 代码。

ts compiler api

ts 的编译我们主要是使用 tsc 的命令行工具，但其实它同样也提供了编译的 api，叫做 ts compiler api。我们做工具的时候就需要直接调用 compiler api 来做编译。

转换 ts 代码为 js 代码的 api 是这个：

const { outputText } = ts.transpileModule(ts代码, {
    compilerOptions: {
        strict: false,
        sourceMap: false,
        // 其他编译选项
    }
});

当然，ts 也提供了类型检查的 api，因为参数比较多，我们后面一篇文章再做展开，这里只了解 transpileModule 的 api 就够了。

了解了 require hook、repl 和 vm、ts compiler api 这三方面的知识之后，ts-node 的实现原理就呼之欲出了，接下来我们就来实现一下。

实现 ts-node

直接执行的模式

我们可以使用 ts-node + 某个 ts 文件，来直接执行这个 ts 文件，它的原理就是修改了 require hook，也就是 Module._extensions['.ts'] 来实现的。

在 require hook 里面做 ts 的编译，然后后面直接执行编译后的 js，这样就能达到直接执行 ts 文件的效果。

所以我们重写 Module._extensions['.ts'] 方法，在里面读取文件内容，然后调用 ts.transpileModule 来把 ts 转成 js，之后调用 Module._compile 来处理编译后的 js。

这样，我们就可以直接执行 ts 模块了，具体的模块路径是通过命令行参数执行的，可以用 process.argv 来取。

const path = require('path');
const ts = require('typescript');
const fs = require('fs');

const filePath = process.argv[2];

require.extensions['.ts'] = function(module, filename) {
    const fileFullPath = path.resolve(__dirname, filename);
    const content = fs.readFileSync(fileFullPath, 'utf-8');

    const { outputText } = ts.transpileModule(content, {
        compilerOptions: require('./tsconfig.json')
    });

    module._compile(outputText, filename);
}

require(filePath);

我们准备一个这样的 ts 文件 test.ts：

const a = 1;
const b = 2;

function add(a: number, b: number): number {
    return a + b;
}

console.log(add(a, b));

然后用这个工具 hook.js 来跑：

可以看到，成功的执行了 ts，这就是 ts-node 的原理。

当然，细节的逻辑还有很多，但是最主要的原理就是 require hook + ts compiler api。

repl 模式

ts-node 支持启动一个 repl 的环境，交互式的输入 ts 代码然后执行，它的原理就是基于 Node.js 提供的 repl 模块做的扩展，在自定义的 eval 函数里面做了 ts 的编译，然后使用 vm.runInContext 的 api 在 repl 的上下文中执行 js 代码。

我们也启动一个 repl 的环境，设置提示符和自定义的 eval 实现。

const repl = require('repl');

const r = repl.start({ 
    prompt: '- . - > ', 
    eval: myEval 
});

function myEval(cmd, context, filename, callback) {

}

eval 的实现就是编译 ts 代码为 js，然后用 vm.runInContext 来执行编译后的 js 代码，执行的 context 指定为 repl 的 context：

function myEval(cmd, context, filename, callback) {
    const { outputText } = ts.transpileModule(cmd, {
        compilerOptions: {
            strict: false,
            sourceMap: false
        }
    });
    const res = vm.runInContext(outputText, r.context);
    callback(null, res);
}

同时，我们还可以对 repl 的 context 做一些扩展，比如注入一个 who 的环境变量：

Object.defineProperty(r.context, 'who', {
  configurable: false,
  enumerable: true,
  value: '神说要有光'
});

我们来测试下效果：

可以看到，执行后启动了一个 repl 环境，提示符修改成了 -.- >，可以直接执行 ts 代码，还可以访问全局变量 who。

这就是 ts-node 的 repl 模式的大概原理：repl + vm + ts compiler api。

全部代码如下：

const repl = require('repl');
const ts = require('typescript');
const vm = require('vm');

const r = repl.start({ 
    prompt: '- . - > ', 
    eval: myEval 
});

Object.defineProperty(r.context, 'who', {
  configurable: false,
  enumerable: true,
  value: '神说要有光'
});

function myEval(cmd, context, filename, callback) {
    const { outputText } = ts.transpileModule(cmd, {
        compilerOptions: {
            strict: false,
            sourceMap: false
        }
    });
    const res = vm.runInContext(outputText, r.context);
    callback(null, res);
}

总结

ts-node 可以直接执行 ts 代码，不需要手动编译，为了深入理解它，我们我们实现了一个简易 ts-node，支持了直接执行和 repl 模式。

直接执行的原理是通过 require hook，也就是 Module._extensions[ext] 里通过 ts compiler api 对代码做转换，之后再执行，这样的效果就是可以直接执行 ts 代码。

repl 的原理是基于 Node.js 的 repl 模块做的扩展，可以定制提示符、上下文、eval 逻辑等，我们在 eval 里用 ts compiler api 做了编译，然后通过 vm.runInContext 在 repl 的 context 中执行编译后的 js。这样的效果就是可以在 repl 里直接执行 ts 代码。

当然，完整的 ts-node 还有很多细节，但是大概的原理我们已经懂了，而且还学到了 require hook、repl 和 vm 模块、 ts compiler api 等知识。