Hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm

Báo cáo vấn đề Xem nguồn Hằng đêm · 7,3 · 7,2 · 7.1 · 7 · 6,5

Trang này đề cập đến các hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm và triết lý đằng sau các hệ thống này sáng tạo. Bazel là một hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm. Mặc dù hệ thống xây dựng dựa trên tác vụ là một bước tiến tốt so với tập lệnh bản dựng, nhưng hệ thống này lại trao quá nhiều quyền cho từng kỹ sư bằng cách cho phép họ xác định tác vụ của riêng mình.

Các hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm có một số ít nhiệm vụ do hệ thống xác định mà các kỹ sư có thể định cấu hình theo cách hạn chế. Các kỹ sư vẫn thông báo cho hệ thống nội dung cần xây dựng, nhưng hệ thống xây dựng xác định cách xây dựng ứng dụng đó. Giống như các hệ thống xây dựng dựa trên nhiệm vụ, các hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm (ví dụ: Bazel) vẫn có các tệp buildfile, nhưng nội dung của các tệp dựng đó rất khác nhau. Thay vào đó ngoài việc là một tập hợp các lệnh bắt buộc trong ngôn ngữ tập lệnh Turing-complete mô tả cách tạo đầu ra, các tệp bản dựng trong Bazel là một hàm khai báo tệp kê khai mô tả một tập hợp cấu phần phần mềm cần xây dựng, các phần phụ thuộc của chúng và một tập hợp giới hạn các tuỳ chọn ảnh hưởng đến cách xây dựng quảng cáo. Khi các kỹ sư chạy bazel trên dòng lệnh, họ sẽ chỉ định một tập hợp các mục tiêu cần tạo (cái gì) và Bazel sẽ chịu trách nhiệm định cấu hình, chạy và lên lịch các bước biên dịch (cách thức). Bởi vì hệ thống xây dựng hiện có toàn quyền kiểm soát những gì cụ thể để chạy vào thời điểm nào, nó có thể đảm bảo mạnh mẽ hơn nhiều cho phép chiến dịch ở xa hiệu quả hơn mà vẫn đảm bảo độ chính xác.

Quan điểm về chức năng

Dễ dàng so sánh giữa hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm và lập trình chức năng. Các ngôn ngữ lập trình mệnh lệnh truyền thống (chẳng hạn như Java, C và Python) chỉ định danh sách các câu lệnh được thực thi lần lượt, giống như cách hệ thống xây dựng dựa trên tác vụ cho phép lập trình viên xác định một loạt các bước để thực thi. Ngược lại, các ngôn ngữ lập trình hàm (chẳng hạn như Haskell và ML) có cấu trúc giống như một loạt phương trình toán học. Ngang bằng ngôn ngữ chức năng, lập trình viên mô tả một phép tính để thực hiện, nhưng để lại thông tin chi tiết về thời điểm và chính xác cách tính toán đó được thực thi cho trình biên dịch.

Điều này liên quan đến việc khai báo tệp kê khai trong hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm và cho phép hệ thống tìm hiểu cách thực thi bản dựng. Nhiều vấn đề không thể dễ dàng được biểu thị bằng cách lập trình hàm, nhưng những vấn đề được hưởng lợi rất nhiều từ phương pháp này: ngôn ngữ thường có thể dễ dàng song song hoá các chương trình như vậy và đảm bảo chắc chắn về tính chính xác của các chương trình đó, điều không thể thực hiện được trong ngôn ngữ mệnh lệnh. Các vấn đề dễ nhất để thể hiện bằng lập trình chức năng là những chương trình đơn giản chỉ liên quan đến việc biến đổi một phần vào một dữ liệu khác bằng cách sử dụng một loạt các quy tắc hoặc hàm. Đó chính xác là khái niệm hệ thống xây dựng: toàn bộ hệ thống thực sự là một hàm toán học lấy tệp nguồn (và các công cụ như trình biên dịch) làm dữ liệu đầu vào và tạo ra tệp nhị phân làm đầu ra. Vì vậy, không có gì đáng ngạc nhiên khi việc xây dựng một bản dựng xoay quanh nguyên lý lập trình chức năng.

Tìm hiểu về hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm

Hệ thống xây dựng của Google, Blaze, là hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm đầu tiên. Bazel sản xuất là phiên bản nguồn mở của Blaze.

Dưới đây là giao diện của tệp bản dựng (thường có tên là BUILD) trong Bazel:

java_binary(
    name = "MyBinary",
    srcs = ["MyBinary.java"],
    deps = [
        ":mylib",
    ],
)
java_library(
    name = "mylib",
    srcs = ["MyLibrary.java", "MyHelper.java"],
    visibility = ["//java/com/example/myproduct:__subpackages__"],
    deps = [
        "//java/com/example/common",
        "//java/com/example/myproduct/otherlib",
    ],
)

Trong Bazel, tệp BUILD xác định các mục tiêu – hai loại mục tiêu ở đây là java_binary và java_library. Mỗi mục tiêu tương ứng với một cấu phần phần mềm mà hệ thống có thể tạo: mục tiêu tệp nhị phân tạo ra các tệp nhị phân có thể được thực thi trực tiếp và mục tiêu thư viện tạo ra các thư viện có thể được sử dụng bởi các tệp nhị phân hoặc thư viện khác. Mỗi mục tiêu đều có:

  • name: cách mục tiêu được tham chiếu trên dòng lệnh và bởi mục tiêu
  • srcs: các tệp nguồn cần biên dịch để tạo cấu phần phần mềm cho mục tiêu
  • deps: các mục tiêu khác phải được tạo trước mục tiêu này và được liên kết vào mục tiêu này

Các phần phụ thuộc có thể nằm trong cùng một gói (chẳng hạn nhưMyBinary phần phụ thuộc trên :mylib) hoặc trên một gói khác trong cùng hệ phân cấp nguồn (chẳng hạn như phần phụ thuộc của mylib trên //java/com/example/common).

Giống như các hệ thống xây dựng dựa trên nhiệm vụ, bạn thực hiện các bản dựng bằng cách sử dụng dòng lệnh của Bazel . Để tạo mục tiêu MyBinary, bạn chạy bazel build :MyBinary. Sau nhập lệnh đó lần đầu tiên vào một kho lưu trữ sạch, Bazel:

  1. Phân tích cú pháp mọi tệp BUILD trong không gian làm việc để tạo biểu đồ phần phụ thuộc giữa các cấu phần phần mềm.
  2. Sử dụng biểu đồ để xác định các phần phụ thuộc bắc cầu của MyBinary; để tức là mọi mục tiêu mà MyBinary phụ thuộc vào và mọi mục tiêu mà các mục tiêu đó mục tiêu phụ thuộc vào, theo đệ quy.
  3. Tạo từng phần phụ thuộc đó theo thứ tự. Bazel bắt đầu bằng việc tạo ra mỗi mục tiêu không có phần phụ thuộc nào khác và theo dõi các phần phụ thuộc nào vẫn cần được xây dựng cho từng mục tiêu. Ngay khi tất cả các phần phụ thuộc của một mục tiêu được tạo, Bazel sẽ bắt đầu tạo mục tiêu đó. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi mọi phần phụ thuộc bắc cầu của MyBinary được tạo.
  4. Tạo MyBinary để tạo tệp nhị phân có thể thực thi cuối cùng liên kết trong tất cả các phần phụ thuộc được tạo ở bước 3.

Về cơ bản, có vẻ như những gì đang diễn ra ở đây không khác nhiều so với những gì đã xảy ra khi sử dụng hệ thống xây dựng dựa trên tác vụ. Thật vậy, kết quả cuối cùng là cùng một tệp nhị phân và quy trình tạo kết quả này liên quan đến việc phân tích một loạt các bước để tìm các phần phụ thuộc giữa các bước đó, sau đó chạy các bước đó theo thứ tự. Tuy nhiên, có những điểm khác biệt quan trọng. Mục đầu tiên xuất hiện ở bước 3: vì Bazel biết rằng mỗi mục tiêu chỉ tạo một thư viện Java, nên ứng dụng biết rằng tất cả những gì phải làm là chạy trình biên dịch Java thay vì một trình biên dịch tuỳ ý do người dùng xác định để hệ thống biết rằng có thể chạy song song các bước này một cách an toàn. Điều này có thể dẫn đến cải thiện hiệu suất đáng kể so với khi xây dựng nhắm mục tiêu từng mục tiêu một trên máy đa lõi và chỉ khả thi vì phương pháp tiếp cận dựa trên cấu phần phần mềm để hệ thống xây dựng tự chịu trách nhiệm thực thi để có thể đưa ra đảm bảo chắc chắn hơn về tính song song.

Tuy nhiên, lợi ích của tính năng này không chỉ dừng lại ở tính song song. Điều tiếp theo phương pháp tiếp cận này trở nên rõ ràng khi nhà phát triển nhập bazel build :MyBinary lần thứ hai mà không thực hiện bất kỳ thay đổi nào: Bazel thoát trong ít hơn hơn một giây kèm theo thông báo cho biết mục tiêu đã được cập nhật. Điều này có thể xảy ra do mô hình lập trình hàm mà chúng ta đã thảo luận trước đó – Bazel biết rằng mỗi mục tiêu chỉ là kết quả của việc chạy một trình biên dịch Java và biết rằng đầu ra của trình biên dịch Java chỉ phụ thuộc vào đầu vào của nó, vì vậy, miễn là đầu vào không thay đổi, đầu ra có thể được sử dụng lại. Và hoạt động phân tích này hoạt động ở mọi cấp; nếu MyBinary.java thay đổi, Bazel sẽ biết phải tạo lại MyBinary nhưng sử dụng lại mylib. Nếu một tệp nguồn cho //java/com/example/common thay đổi, Bazel biết cần xây dựng lại thư viện đó, mylib và MyBinary, nhưng sử dụng lại //java/com/example/myproduct/otherlib. Bởi vì Bazel biết về thuộc tính của các công cụ mà công cụ này chạy ở từng bước, chỉ có thể tạo lại tập hợp cấu phần phần mềm tối thiểu mỗi lần trong khi đảm bảo rằng bản dựng sẽ không tạo ra các bản dựng lỗi thời.

Việc định lại khung hình của quá trình xây dựng về cấu phần phần mềm thay vì tác vụ là một cách tinh tế nhưng mạnh mẽ. Bằng cách giảm tính linh hoạt cho lập trình viên, hệ thống có thể biết thêm về những gì đang được thực hiện ở mỗi bước của quá trình tạo bản dựng. Chiến dịch này có thể vận dụng kiến thức này để tạo bản dựng hiệu quả hơn nhiều bằng cách tải song song bản dựng các quy trình và tái sử dụng đầu ra của chúng. Nhưng đây thực sự chỉ là bước đầu tiên và các khối xây dựng song song và tái sử dụng này là nền tảng cho một hệ thống xây dựng phân tán và có khả năng mở rộng cao.

Các thủ thuật khác về Bazel

Các hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm sẽ giải quyết được vấn đề về cơ bản của tính song song và tái sử dụng vốn có trong các hệ thống xây dựng dựa trên nhiệm vụ. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề đã xuất hiện trước đó mà chúng ta chưa giải quyết. Bazel có các cách thông minh để giải quyết từng vấn đề này và chúng ta nên thảo luận về các cách đó trước khi tiếp tục.

Công cụ dưới dạng phần phụ thuộc

Một vấn đề chúng ta gặp phải trước đó là các bản dựng phụ thuộc vào các công cụ được cài đặt trên máy và việc tạo lại các bản dựng trên các hệ thống có thể gặp khó khăn do các phiên bản hoặc vị trí công cụ khác nhau. Bài toán trở nên khó khăn hơn khi dự án của bạn sử dụng các ngôn ngữ yêu cầu các công cụ khác nhau dựa trên nền tảng mà chúng được tạo hoặc được biên dịch (chẳng hạn như Windows so với Linux), và mỗi nền tảng đó yêu cầu một bộ công cụ hơi khác nhau để thực hiện cùng một công việc.

Bazel giải quyết phần đầu tiên của vấn đề này bằng cách coi các công cụ là phần phụ thuộc để từng mục tiêu. Mọi java_library trong không gian làm việc ngầm ẩn phụ thuộc vào một Java Trình biên dịch mặc định là một trình biên dịch nổi tiếng. Bất cứ khi nào tạo một java_library, Bazel sẽ kiểm tra để đảm bảo rằng trình biên dịch đã chỉ định có sẵn tại một vị trí đã biết. Giống như mọi phần phụ thuộc khác, nếu trình biên dịch Java sẽ được tạo lại, mọi cấu phần phần mềm phụ thuộc vào cấu phần phần mềm đó.

Bazel giải quyết phần thứ hai của vấn đề, đó là sự độc lập của nền tảng, bằng cách đặt ra cấu hình bản dựng. Thay vì mục tiêu phụ thuộc trực tiếp vào công cụ, mục tiêu phụ thuộc vào các loại cấu hình:

  • Cấu hình máy chủ lưu trữ: tạo các công cụ chạy trong quá trình tạo bản dựng
  • Cấu hình mục tiêu: tạo tệp nhị phân mà bạn đã yêu cầu

Mở rộng hệ thống xây dựng

Bazel đi kèm với các mục tiêu cho một số ngôn ngữ lập trình phổ biến ngay từ đầu, nhưng các kỹ sư sẽ luôn muốn làm nhiều việc hơn – một phần lợi ích của các hệ thống dựa trên tác vụ là tính linh hoạt trong việc hỗ trợ mọi loại quy trình xây dựng và tốt hơn hết là bạn không nên từ bỏ điều đó trong một hệ thống xây dựng dựa trên cấu phần phần mềm. May mắn thay, Bazel cho phép mở rộng các loại mục tiêu được hỗ trợ bằng cách thêm quy tắc tuỳ chỉnh.

Để xác định một quy tắc trong Bazel, tác giả quy tắc sẽ khai báo các dữ liệu đầu vào mà quy tắc yêu cầu (ở dạng thuộc tính được truyền trong tệp BUILD) và tập hợp đầu ra cố định mà quy tắc tạo ra. Tác giả cũng xác định các hành động sẽ được tạo bằng quy tắc đó. Mỗi hành động đều khai báo dữ liệu đầu vào và đầu ra của nó, chạy một tệp thực thi cụ thể hoặc ghi một chuỗi cụ thể vào một tệp và có thể được kết nối với các hành động khác thông qua đầu vào và đầu ra của nó. Điều này có nghĩa là hành động là đơn vị có khả năng kết hợp cấp thấp nhất trong hệ thống xây dựng. Một hành động có thể làm bất cứ điều gì miễn là hành động đó chỉ sử dụng dữ liệu đầu vào và đầu ra đã khai báo. Ngoài ra, Bazel sẽ chịu trách nhiệm lên lịch các hành động và lưu kết quả của các hành động đó vào bộ nhớ đệm khi thích hợp.

Hệ thống này không hiệu quả vì không có cách nào để ngăn chặn nhà phát triển hành động làm một việc gì đó như đưa ra một quá trình không tất định như một phần của hành động của họ. Nhưng điều này không xảy ra rất thường xuyên trong thực tế và việc đẩy mạnh khả năng lạm dụng cho đến cấp hành động sẽ giảm đi đáng kể cơ hội lỗi. Quy tắc hỗ trợ nhiều ngôn ngữ và công cụ phổ biến được cung cấp rộng rãi trên mạng và hầu hết các dự án sẽ không bao giờ cần tự xác định quy tắc. Ngay cả đối với những quy tắc đó, bạn chỉ cần xác định định nghĩa quy tắc trong một vị trí trung tâm trong kho lưu trữ, tức là hầu hết các kỹ sư sẽ có thể sử dụng các quy tắc đó mà không bao giờ phải lo lắng về việc triển khai chúng.

Cách ly môi trường

Có vẻ như các thao tác có thể gặp phải các vấn đề tương tự như các tác vụ trong các hệ thống khác – không phải bạn vẫn có thể viết các thao tác vừa ghi vào cùng một tệp vừa xung đột với nhau sao? Trên thực tế, Bazel ngăn chặn các xung đột này bằng cách sử dụng tính năng hộp cát. Trên các hệ thống được hỗ trợ, mọi thao tác đều được tách biệt với mọi thao tác khác thông qua một hộp cát hệ thống tệp. Về cơ bản, mỗi thao tác chỉ có thể xem một chế độ xem bị hạn chế của hệ thống tệp, bao gồm các dữ liệu đầu vào mà thao tác đó đã khai báo và mọi dữ liệu đầu ra mà thao tác đó đã tạo ra. Việc này được thực thi bằng các hệ thống như LXC trên Linux, cùng công nghệ phía sau Docker. Điều này có nghĩa là các hành động không thể xung đột với nhau một gói khác vì họ không thể đọc bất kỳ tệp nào mà họ không khai báo, và các tệp mà họ ghi nhưng không khai báo sẽ bị xoá khi người dùng thực hiện thao tác này kết thúc. Bazel cũng sử dụng hộp cát để hạn chế các hành động giao tiếp qua mạng.

Tạo phần phụ thuộc bên ngoài có tính chất xác định

Vẫn còn một vấn đề nữa: các hệ thống xây dựng thường cần phải tải xuống các phần phụ thuộc (cho dù là công cụ hay thư viện) từ các nguồn bên ngoài thay vì trực tiếp tạo chúng. Bạn có thể thấy điều này trong ví dụ thông qua phần phụ thuộc @com_google_common_guava_guava//jar. Phần phụ thuộc này sẽ tải tệp JAR xuống từ Maven.

Việc phụ thuộc vào các tệp bên ngoài không gian làm việc hiện tại sẽ gây ra nhiều rủi ro. Các tệp đó có thể thay đổi bất cứ lúc nào, có thể yêu cầu hệ thống xây dựng liên tục kiểm tra xem các tệp đó có mới hay không. Nếu một tệp từ xa thay đổi mà không có sự thay đổi tương ứng trong mã nguồn Workspace, điều này cũng có thể dẫn đến các bản dựng không thể mô phỏng — một bản dựng có thể làm việc một ngày và không thành công vào ngày tiếp theo mà không có lý do rõ ràng do không có sự chú ý thay đổi về phần phụ thuộc. Cuối cùng, một phần phụ thuộc bên ngoài có thể gây ra rủi ro bảo mật rất lớn khi phần phụ thuộc đó thuộc sở hữu của bên thứ ba: nếu kẻ tấn công có thể xâm nhập vào máy chủ của bên thứ ba đó, thì chúng có thể thay thế tệp phần phụ thuộc bằng một tệp do chúng thiết kế, có thể cho phép chúng kiểm soát toàn bộ môi trường xây dựng và kết quả của môi trường đó.

Vấn đề cơ bản là chúng ta muốn hệ thống xây dựng nhận biết được các tệp này mà không cần phải kiểm tra các tệp đó vào hệ thống quản lý phiên bản. Cập nhật phần phụ thuộc nên là một lựa chọn có ý thức, nhưng lựa chọn đó nên được đưa ra một lần ở một thay vì do từng kỹ sư riêng lẻ quản lý hoặc do hệ thống. Lý do là ngay cả với mô hình "Trực tiếp tại đầu", chúng tôi vẫn muốn các bản dựng mang tính xác định. Điều này có nghĩa là nếu bạn kiểm tra một thay đổi từ tuần trước, bạn sẽ thấy các phần phụ thuộc như trước đây thay vì như hiện tại.

Bazel và một số hệ thống xây dựng khác giải quyết vấn đề này bằng cách yêu cầu một tệp kê khai trên toàn không gian làm việc liệt kê hàm băm mã hoá cho mọi phần phụ thuộc bên ngoài trong không gian làm việc. Hàm băm là một cách ngắn gọn để trình bày độc đáo mà không kiểm tra toàn bộ tệp trong kiểm soát nguồn. Bất cứ khi nào một phần phụ thuộc bên ngoài mới được tham chiếu từ một không gian làm việc, hàm băm của phần phụ thuộc đó sẽ được thêm vào tệp kê khai theo cách thủ công hoặc tự động. Khi Bazel chạy một bản dựng này kiểm tra hàm băm thực tế của phần phụ thuộc được lưu vào bộ nhớ đệm so với dữ liệu dự kiến hàm băm được xác định trong tệp kê khai và tải lại tệp xuống chỉ khi hàm băm khác nhau.

Nếu cấu phần phần mềm mà chúng ta tải xuống có hàm băm khác với hàm băm được khai báo trong tệp kê khai, thì bản dựng sẽ không thành công trừ khi hàm băm trong tệp kê khai được cập nhật. Bạn có thể thực hiện việc này một cách tự động, nhưng thay đổi đó phải được phê duyệt và kiểm tra vào hệ thống quản lý nguồn trước khi bản dựng chấp nhận phần phụ thuộc mới. Điều này có nghĩa là luôn có bản ghi về thời điểm cập nhật một phần phụ thuộc và phần phụ thuộc không thể thay đổi nếu không có thay đổi tương ứng trong nguồn không gian làm việc. Điều này cũng có nghĩa là, khi kiểm tra phiên bản cũ hơn của mã nguồn, đảm bảo bản dựng sẽ sử dụng chính các phần phụ thuộc mà bản dựng đang sử dụng tại thời điểm đó thời điểm phiên bản đó được kiểm tra (nếu không, phiên bản sẽ không thành công nếu những phần phụ thuộc đó không sử dụng được nữa).

Tất nhiên, có thể vẫn gặp vấn đề nếu máy chủ từ xa không hoạt động hoặc bắt đầu phân phát dữ liệu bị hỏng—điều này có thể khiến tất cả các bản dựng của bạn bắt đầu gặp lỗi nếu bạn không có bản sao khác của phần phụ thuộc đó. Để tránh vấn đề này, đối với mọi dự án không quan trọng, bạn nên phản ánh tất cả các phần phụ thuộc của dự án đó vào các máy chủ hoặc dịch vụ mà bạn tin tưởng và kiểm soát. Nếu không, bạn sẽ luôn lợi dụng bên thứ ba để hệ thống xây dựng của bạn ngay cả khi hàm băm đăng ký đảm bảo tính bảo mật.