npm install 原理分析
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",
}
}
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",
}
}
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",
}
}
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=="
}
}
}
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
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"
}
}
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==
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。
参考
https://juejin.im/post/5a6008c2f265da3e5033cd93
https://www.zhihu.com/question/305539244/answer/551386426
https://zhuanlan.zhihu.com/p/37285173
