【设计】1359- Umi3 如何实现插件化架构

插件化架构

插件化架构（Plug-in Architecture），也被称为微内核架构（Microkernel Architecture），是一种面向功能进行拆分的可扩展性架构，在如今的许多前端主流框架中都能看到它的身影。今天我们以 umi 框架为主，来看看插件化架构的实现思路，同时对比一下不同框架中插件化实现思路的异同。

各个主流框架插件化异同

二话不说先上结论。

一个完整的插件系统应该包括三个部分：

插件内核（plugiCore）：用于管理插件；

插件接口（pluginApi）：用于提供 api 给插件使用；

插件（plugin）：功能模块，不同的插件实现不同的功能。

因此我们也从这三部分入手去分析 umi 的插件化。

umi 插件（plugin）

我们先从最简单的开始，认识一个umi 插件长什么样。我们以插件集preset（@umijs/preset-built-in）中的一个内置插件umiInfo（packages/preset-built-in/src/plugins/features/umiInfo.ts）为例，来认识一下 umi 插件。

import { IApi } from '@umijs/types';

export default (api: IApi) => {
  // 调用扩展方法addHTMLHeadScripts在 HTML 头部添加脚本
  api.addHTMLHeadScripts(() => [
    {
      content: `//! umi version: ${process.env.UMI_VERSION}`,
    },
  ]);
  // 调用扩展方法addEntryCode在入口文件最后添加代码
  api.addEntryCode(
    () => `
    window.g_umi = {
      version: '${process.env.UMI_VERSION}',
    };
  `,
  );
};

可以看到 umi 插件导出了一个函数，函数内部为调用传参 api 上的两个方法属性，主要实现了两个功能，一个是在 html 文件头部添加脚本，另一个是在入口文件最后添加代码。其中，preset是一系列插件的合集。代码非常简单，就是 require 了一系列的plugin。插件集preset（packages/preset-built-in/src/index.ts）如下：

export default function () {
  return {
    plugins: [
      // 注册方法插件
      require.resolve('./plugins/registerMethods'),

      // 路由插件
      require.resolve('./plugins/routes'),

      // 生成文件相关插件
      require.resolve('./plugins/generateFiles/core/history'),
      ……
      // 打包配置相关插件
      require.resolve('./plugins/features/404'),
      ……
      // html操作相关插件
      require.resolve('./plugins/features/html/favicon'),
      ……
      // 命令相关插件
      require.resolve('./plugins/commands/build/build'),
      ……

}

这些plugin主要包括一个注册方法插件（packages/preset-built-in/src/plugins/registerMethods.ts），一个路由插件（packages/preset-built-in/src/plugins/routes.ts），一些生成文件相关插件（packages/preset-built-in/src/plugins/generateFiles/*），一些打包配置相关插件（packages/preset-built-in/src/plugins/features/*），一些html 操作相关插件（packages/preset-built-in/src/plugins/features/html/*）以及一些命令相关插件（packages/preset-built-in/src/plugins/commands/*）。

在注册方法插件registerMethods（packages/preset-built-in/src/plugins/registerMethods.ts）中，umi集中注册了几十个方法，这些方法就是umi文档中插件 api 的扩展方法。

export default function (api: IApi) {
  // 集中注册扩展方法
  [
    'onGenerateFiles',
    'onBuildComplete',
    'onExit',
    ……
  ].forEach((name) => {
    api.registerMethod({ name });
  });

  // 单独注册writeTmpFile方法，并传参fn，方便其他扩展方法使用
  api.registerMethod({
    name: 'writeTmpFile',
    fn({
      path,
      content,
      skipTSCheck = true,
    }: {
      path: string;
      content: string;
      skipTSCheck?: boolean;
    }) {
      assert(
        api.stage >= api.ServiceStage.pluginReady,
        `api.writeTmpFile() should not execute in register stage.`,
      );
      const absPath = join(api.paths.absTmpPath!, path);
      api.utils.mkdirp.sync(dirname(absPath));
      if (isTSFile(path) && skipTSCheck) {
        // write @ts-nocheck into first line
        content = `// @ts-nocheck${EOL}${content}`;
      }
      if (!existsSync(absPath) || readFileSync(absPath, 'utf-8') !== content) {
        writeFileSync(absPath, content, 'utf-8');
      }
    },
  });
}

当我们在控制台umi路径下键入命令npx umi dev后，就启动了 umi 命令，附带 dev 参数，经过一系列的操作后实例化Service对象（路径：packages/umi/src/ServiceWithBuiltIn.ts），

import { IServiceOpts, Service as CoreService } from '@umijs/core';
import { dirname } from 'path';

class Service extends CoreService {
  constructor(opts: IServiceOpts) {
    process.env.UMI_VERSION = require('../package').version;
    process.env.UMI_DIR = dirname(require.resolve('../package'));

    super({
      ...opts,
      presets: [
        // 配置内置默认插件集
        require.resolve('@umijs/preset-built-in'),
        ...(opts.presets || []),
      ],
      plugins: [require.resolve('./plugins/umiAlias'), ...(opts.plugins || [])],
    });
  }
}

export { Service };

在Service的构造函数中就传入了上面提到的默认插件集preset（@umijs/preset-built-in），供umi使用。至此我们介绍了以默认插件集preset为代表的umi插件。

插件接口（pluginApi）

Service对象（packages/core/src/Service/Service.ts）中的getPluginAPI方法为插件提供了插件接口。getPluginAPI接口就是整个插件系统的桥梁。它使用代理模式将umi插件核心方法、初始化过程hook 节点api、Service 对象方法属性和通过@umijs/preset-built-in 注册到 service 对象上的扩展方法组织在了一起，供插件调用。

  getPluginAPI(opts: any) {
  //实例化PluginAPI对象，PluginAPI对象包含describe，register，registerCommand，registerPresets，registerPlugins，registerMethod，skipPlugins七个核心插件方法
    const pluginAPI = new PluginAPI(opts);

    // 注册umi服务初始化过程中的hook节点
    [
      'onPluginReady', // 插件初始化完毕
      'modifyPaths', // 修改路径
      'onStart', // 启动umi
      'modifyDefaultConfig', // 修改默认配置
      'modifyConfig', // 修改配置
    ].forEach((name) => {
      pluginAPI.registerMethod({ name, exitsError: false });
    });

    return new Proxy(pluginAPI, {
      get: (target, prop: string) => {
        // 由于 pluginMethods 需要在 register 阶段可用
        // 必须通过 proxy 的方式动态获取最新，以实现边注册边使用的效果
        if (this.pluginMethods[prop]) return this.pluginMethods[prop];
        // 注册umi service对象上的属性和核心方法
        if (
          [
            'applyPlugins',
            'ApplyPluginsType',
            'EnableBy',
            'ConfigChangeType',
            'babelRegister',
            'stage',
            ……
          ].includes(prop)
        ) {
          return typeof this[prop] === 'function'
            ? this[prop].bind(this)
            : this[prop];
        }
        return target[prop];
      },
    });
  }

插件内核（pluginore）

1.初始化配置

上面讲到启动umi后会实例化Service对象（路径：packages/umi/src/ServiceWithBuiltIn.ts），并传入preset插件集（@umijs/preset-built-in）。该对象继承自CoreServeice（packages/core/src/Service/Service.ts）。CoreServeice在实例化的过程中会在构造函数中初始化插件集和插件：

    // 初始化 Presets 和 plugins, 来源于四处
    // 1. 构造 Service 传参
    // 2. process.env 中指定
    // 3. package.json 中 devDependencies 指定
    // 4. 用户在 .umirc.ts 文件中配置
    this.initialPresets = resolvePresets({
      ...baseOpts,
      presets: opts.presets || [],
      userConfigPresets: this.userConfig.presets || [],
    });
    this.initialPlugins = resolvePlugins({
      ...baseOpts,
      plugins: opts.plugins || [],
      userConfigPlugins: this.userConfig.plugins || [],
    });

经过转换处理，一个插件在umi系统中最终会表示为如下格式的一个对象：

{
    id, // @umijs/plugin-xxx，插件名称
    key, // xxx，插件唯一的key
    path: winPath(path), // 路径
    apply() {
      // 延迟加载插件
      try {
        const ret = require(path);
        // use the default member for es modules
        return compatESModuleRequire(ret);
      } catch (e) {
        throw new Error(`Register ${type} ${path} failed, since ${e.message}`);
      }
    },
    defaultConfig: null, // 默认配置
  };

2.初始化插件

umi实例化Service对象后会调用Service对象的run方法。插件的初始化就是在run方法中完成的。初始化preset和plugin的过程大同小异，我们重点看初始化plugin的过程。

  // 初始化插件
  async initPlugin(plugin: IPlugin) {
    // 在第一步初始化插件配置后，插件在umi系统中就变成了一个个的对象，这里导出了id, key和延迟加载函数apply
    const { id, key, apply } = plugin;
    // 获取插件系统的桥梁插件接口PluginApi
    const api = this.getPluginAPI({ id, key, service: this });

    // 注册插件
    this.registerPlugin(plugin);
    // 执行插件代码
    await this.applyAPI({ api, apply });
  }

这里我们要重点看一下在最开始preset集中第一个注册方法插件中注册扩展方法时曾提到的registerMethod方法。

  registerMethod({
    name,
    fn,
    exitsError = true,
  }: {
    name: string;
    fn?: Function;
    exitsError?: boolean;
  }) {
    // 注册的方法已经存在的情况的处理
    if (this.service.pluginMethods[name]) {
      if (exitsError) {
        throw new Error(
          `api.registerMethod() failed, method ${name} is already exist.`,
        );
      } else {
        return;
      }
    }
    // 这里分为两种情况：第一种注册方法时传入了fn参数，则注册的方法就是fn方法；第二种情况未传入fn，则返回一个函数，函数会将传入的fn参数转换为hook钩子并注册，挂载到service的hooksByPluginId属性下
    this.service.pluginMethods[name] =
      fn || function (fn: Function | Object) {
        const hook = {
          key: name,
          ...(utils.lodash.isPlainObject(fn) ? fn : { fn }),
        };
        // @ts-ignore
        this.register(hook);
      };
  }

因此当执行插件代码时，如果是核心方法则直接执行，如果是扩展方法则除了writeTmpFile，其余都是在hooksByPluginId下注册了hook。到这里Service完成了插件的初始化，执行了插件调用的核心方法和扩展方法。

3.初始化 hooks

通过下述代码，Service将以插件名称为维度配置的hook，转换为以hook名称为维度配置的回调集。

    Object.keys(this.hooksByPluginId).forEach((id) => {
      const hooks = this.hooksByPluginId[id];
      hooks.forEach((hook) => {
        const { key } = hook;
        hook.pluginId = id;
        this.hooks[key] = (this.hooks[key] || []).concat(hook);
      });
    });

以addHTMLHeadScripts扩展方法为例 转换前：

  './node_modules/@@/features/devScripts': [
    { key: 'addBeforeMiddlewares', fn: [Function (anonymous)] },
    { key: 'addHTMLHeadScripts', fn: [Function (anonymous)] },
……
  ],
  './node_modules/@@/features/umiInfo': [
    { key: 'addHTMLHeadScripts', fn: [Function (anonymous)] },
    { key: 'addEntryCode', fn: [Function (anonymous)] }
  ],
  './node_modules/@@/features/html/headScripts': [ { key: 'addHTMLHeadScripts', fn: [Function (anonymous)] } ],

转换之后：

  addHTMLHeadScripts: [
    {
      key: 'addHTMLHeadScripts',
      fn: [Function (anonymous)],
      pluginId: './node_modules/@@/features/devScripts'
    },
    {
      key: 'addHTMLHeadScripts',
      fn: [Function (anonymous)],
      pluginId: './node_modules/@@/features/umiInfo'
    },
    {
      key: 'addHTMLHeadScripts',
      fn: [Function (anonymous)],
      pluginId: './node_modules/@@/features/html/headScripts'
    }
  ],

至此插件系统就绪达到pluginReady状态。

4.触发 hook

在程序达到 pluginReady 状态后，Service 立即执行了一次触发 hook 操作。

    await this.applyPlugins({
      key: 'onPluginReady',
      type: ApplyPluginsType.event,
    });

那么是如何触发的呢？我们来详细看一下applyPlugins的代码实现：

  async applyPlugins(opts: {
    key: string;
    type: ApplyPluginsType;
    initialValue?: any;
    args?: any;
  }) {
    // 找到对应需要触发的hook会调集，这里的hooks就是上面以插件名称为维度配置的hook转换为以hook名称为维度配置的回调集
    const hooks = this.hooks[opts.key] || [];
    // 判断事件类型，umi将回调事件分为add、modify和event三种
    switch (opts.type) {
      case ApplyPluginsType.add:
        if ('initialValue' in opts) {
          assert(
            Array.isArray(opts.initialValue),
            `applyPlugins failed, opts.initialValue must be Array if opts.type is add.`,
          );
        }
        // 事件管理基于webpack的Tapable库，只用到了AsyncSeriesWaterfallHook一种事件控制方式，既异步串行瀑布流回调方式：异步，所有的钩子都是异步处理；串行，依次执行；瀑布流，上一个钩子的结果是下一个钩子的参数。
        const tAdd = new AsyncSeriesWaterfallHook(['memo']);
        for (const hook of hooks) {
          if (!this.isPluginEnable(hook.pluginId!)) {
            continue;
          }
          tAdd.tapPromise(
            {
              name: hook.pluginId!,
              stage: hook.stage || 0,
              // @ts-ignore
              before: hook.before,
            },
            //与其他两种事件类型不同，add类型会返回所有钩子的结果
            async (memo: any[]) => {
              const items = await hook.fn(opts.args);
              return memo.concat(items);
            },
          );
        }
        return await tAdd.promise(opts.initialValue || []);
      case ApplyPluginsType.modify:
        const tModify = new AsyncSeriesWaterfallHook(['memo']);
        for (const hook of hooks) {
          if (!this.isPluginEnable(hook.pluginId!)) {
            continue;
          }
          tModify.tapPromise(
            {
              name: hook.pluginId!,
              stage: hook.stage || 0,
              // @ts-ignore
              before: hook.before,
            },
            // 与其他两种钩子不同，modify类型会返回最终的钩子结果
            async (memo: any) => {
              return await hook.fn(memo, opts.args);
            },
          );
        }
        return await tModify.promise(opts.initialValue);
      case ApplyPluginsType.event:
        const tEvent = new AsyncSeriesWaterfallHook(['_']);
        for (const hook of hooks) {
          if (!this.isPluginEnable(hook.pluginId!)) {
            continue;
          }
          tEvent.tapPromise(
            {
              name: hook.pluginId!,
              stage: hook.stage || 0,
              // @ts-ignore
              before: hook.before,
            },
            // event类型，只执行钩子，不返回结果
            async () => {
              await hook.fn(opts.args);
            },
          );
        }
        return await tEvent.promise();
      default:
        throw new Error(
          `applyPlugin failed, type is not defined or is not matched, got ${opts.type}.`,
        );
    }
  }

至此，umi的整体插件工作流程介绍完毕，后续代码就是umi根据流程需要不断触发各类的hook从而完成整个umi的各项功能。除了umi，其他的一些框架也都应用了插件模式，下面做简单介绍对比。

babel 插件机制

babel主要的作用就是语法转换，babel的整个过程分为三个部分：解析，将代码转换为抽象语法树（AST）；转换，遍历 AST 中的节点进行语法转换操作；生成，根据最新的 AST 生成目标代码。其中在转换的过程中就是依据babel配置的各个插件去完成的。

babel 插件

const createPlugin = (name) => {
  return {
    name,
    visitor: {
      FunctionDeclaration(path, state) {},
      ReturnStatement(path, state) {},
    }
  };
};

可以看到babel的插件也是返回一个函数，和umi的很相似。但是babel插件的运行却并不是基于发布订阅的事件驱动模式，而是采用访问者模式。babel会通过一个访问者visitor统一遍历节点，提供方法及维护节点关系，插件只需要在visitor中注册自己关心的节点类型，当visitor遍历到相关节点时就会调用插件在visitor上注册的方法并执行。

webpack 插件机制

webpack整体基于两大支柱功能：一个是loader，用于对模块的源码进行转换，基于管道模式；另一个就是plugin，用于解决 loader 无法解决的问题，顾名思义，plugin 就是基于插件机制的。来看一个典型的webpack插件：

const pluginName = 'ConsoleLogOnBuildWebpackPlugin';

class ConsoleLogOnBuildWebpackPlugin {
  apply(compiler) {
    compiler.hooks.run.tap(pluginName, (compilation) => {
      console.log('webpack 构建正在启动！');
    });
  }
}

module.exports = ConsoleLogOnBuildWebpackPlugin;

webpack在初始化时会统一执行插件的apply方法。插件通过注册Compiler和compilation的钩子函数，在整个编译生命周期都可以访问compiler对象，完成插件功能。同时整个事件驱动的功能都是基于 webpack 的核心工具Tapable。Tapable同样也是umi的事件驱动工具。可以看到umi和webpack的整体思路是很相似的。

rollup 插件机制

rollup也是模块打包工具，与 webpack 相比rollup更适合打包纯 js 的类库。同样rollup也具有插件机制。一个典型的rollup插件：

export default function myExample() {
  return {
    name: 'my-example',
    resolveId(source) {},
    load(id) {},
  };
}

rollup 插件维护了一套同步/异步、串行/并行、熔断/传参的事件回调机制，不过这部分并没有单独抽出类库，而是在 rollup 项目中维护的。通过插件控制器（src/utils/PluginDriver.ts）、插件上下文（src/utils/PluginContext.ts）、插件缓存（src/utils/PluginCache.ts），完成了提供插件 api 和插件内核的能力。

vue-cli 插件机制

vue-cli的插件与其他相比稍有特点，就是将插件分为几种情况，一种项目生成阶段，插件未安装需要安装插件；另一种是项目运行阶段，启动插件；还有一种是UI插件，在运行vue ui时会用到。

vue-cli插件的包目录结构

├── generator.js  # generator（可选）
├── index.js      # service 插件
├── package.json
└── prompts.js    # prompt 文件（可选）
└── ui.js    # ui 文件（可选）

生成阶段

其中generator.js和prompts.js在安装插件的情况下执行，index 则在运行阶段执行。generator 示例：

module.exports = (api, options) => {
  // 扩展package.json字段
  api.extendPackage({
    dependencies: {
      'vue-router-layout': '^0.1.2'
    }
  })
  // afterAnyInvoke钩子 函数会被反复执行
  api.afterAnyInvoke(() => {
  // 文件操作
  })
  // afterInvoke钩子，这个钩子将在文件被写入硬盘之后被调用
  api.afterInvoke(() => {})

}

prompts 会在安装期间与用户交互，获取插件的选项配置并在 generator.js 调用时作为参数存入。

在项目生成阶段通过 packages/@vue/cli/lib/GeneratorAPI.js 提供插件 api；在 packages/@vue/cli/lib/Generator.js 中初始化插件，执行插件注册的 api，在 packages/@vue/cli/lib/Creator.js 中运行插件注册的钩子函数，最终完成插件功能的调用。

运行阶段

vue-cli运行阶段插件：

const VueAutoRoutingPlugin = require('vue-auto-routing/lib/webpack-plugin')

module.exports = (api, options) => {
  api.chainWebpack(webpackConfig => {
    webpackConfig
    .plugin('vue-auto-routing')
      .use(VueAutoRoutingPlugin, [
        {
          pages: 'src/pages',
          nested: true
        }
      ])
  })
}

在项目运行阶段的插件主要用来修改webpack的配置，创建或者修改命令。由 packages/@vue/cli-service/lib/PluginAPI.js 提供pluginapi，packages/@vue/cli-service/lib/Service.js 完成插件的初始化和运行。而vue-cli插件的运行主要是基于回调函数的模式来管理的。

通过以上介绍，可以发现插件机制是现代前端项目工程化框架中必不可少的一部分，插件的实现形式多种多样，但总的结构是大体一致的，既由插件（plugin）、插件 api（pluginApi）、插件核心（pluginCore）三部分组成。其中通过插件核心去注册和管理插件，完成插件的初始化和运行工作，插件 api 是插件和系统之间的桥梁，使插件完成特定功能，再通过不同插件的组合形成了一套功能完整的前端框架系统。