以工作為基礎的建構系統

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本頁面將介紹以工作為基礎的建構系統、其運作方式，以及以工作為基礎的系統可能發生的一些複雜情況。在殼層指令碼之後，以工作為基礎的建構系統是建構作業的下一個邏輯演進。

瞭解以工作為基礎的建構系統

在以工作為基礎的建構系統中，工作的基本單位是工作。每個工作都是可執行任何類型邏輯的指令碼，且工作會將其他工作指定為必須先執行的依附元件。目前使用的大多數主要建構系統 (例如 Ant、Maven、Gradle、Grunt 和 Rake) 都是以工作為基礎。大多數現代化建構系統都要求工程師建立建構檔案，說明如何執行建構作業，而非使用殼層指令碼。

請參考 Ant 手冊中的範例：

<project name="MyProject" default="dist" basedir=".">
   <description>
     simple example build file
   </description>
   <!-- set global properties for this build -->
   <property name="src" location="src"/>
   <property name="build" location="build"/>
   <property name="dist" location="dist"/>

   <target name="init">
     <!-- Create the time stamp -->
     <tstamp/>
     <!-- Create the build directory structure used by compile -->
     <mkdir dir="${build}"/>
   </target>
   <target name="compile" depends="init"
       description="compile the source">
     <!-- Compile the Java code from ${src} into ${build} -->
     <javac srcdir="${src}" destdir="${build}"/>
   </target>
   <target name="dist" depends="compile"
       description="generate the distribution">
     <!-- Create the distribution directory -->
     <mkdir dir="${dist}/lib"/>
     <!-- Put everything in ${build} into the MyProject-${DSTAMP}.jar file -->
     <jar jarfile="${dist}/lib/MyProject-${DSTAMP}.jar" basedir="${build}"/>
   </target>
   <target name="clean"
       description="clean up">
     <!-- Delete the ${build} and ${dist} directory trees -->
     <delete dir="${build}"/>
     <delete dir="${dist}"/>
   </target>
</project>

建構檔案是以 XML 編寫，並定義建構作業的簡單中繼資料，以及工作清單 (XML 中的 <target> 標記)。(Ant 使用「target」一詞代表「task」，並使用「task」一詞代表「command」)。每項工作都會執行 Ant 定義的可能指令清單，包括建立及刪除目錄、執行 javac 和建立 JAR 檔案。這組指令可透過使用者提供的外掛程式擴充，涵蓋任何類型的邏輯。每項工作也可以透過 depends 屬性定義其依附的工作。這些依附元件會形成無環圖，如圖 1 所示。

圖 1. 顯示依附元件的非循環圖

使用者可透過提供工作給 Ant 指令列工具來執行建構作業。舉例來說，當使用者輸入 ant dist 時，Ant 會執行以下步驟：

載入目前目錄中名為 build.xml 的檔案，並剖析該檔案，建立圖 1 所示的圖表結構。
尋找指令列上提供的 dist 工作，並發現該工作依附於名為 compile 的工作。
尋找名為 compile 的工作，並發現該工作會依附名為 init 的工作。
尋找名為 init 的工作，並發現該工作沒有依附元件。
執行 init 工作中定義的指令。
在已執行該工作所有依附元件的情況下，執行 compile 工作中定義的指令。
在已執行該工作所有依附元件的情況下，執行 dist 工作中定義的指令。

最後，Ant 在執行 dist 工作時執行的程式碼，等同於下列 Shell 指令碼：

./createTimestamp.sh
mkdir build/
javac src/* -d build/
mkdir -p dist/lib/
jar cf dist/lib/MyProject-$(date --iso-8601).jar build/*

去除語法後，Buildfile 和 Build 指令碼其實沒有太大差異。但我們已經從中獲得許多收穫。我們可以在其他目錄中建立新的 buildfile，並將這些檔案連結在一起。我們可以輕鬆以任意複雜的方式，新增依賴現有工作的新工作。我們只需將單一工作名稱傳遞至 ant 指令列工具，即可決定需要執行的所有作業。

Ant 是一款舊軟體，最初於 2000 年發布。在過去幾年，Maven 和 Gradle 等其他工具已改善 Ant 的功能，並透過新增自動管理外部依附元件和不含任何 XML 的簡潔語法等功能，實際取代了 Ant。不過，這些新系統的本質仍相同：讓工程師以原則性和模組化的方式編寫建構指令碼，做為工作，並提供工具來執行這些工作，以及管理其中的依附元件。

以工作為基礎的建構系統的黑暗面

由於這些工具可讓工程師將任何指令碼定義為工作，因此功能非常強大，幾乎可執行任何您能想到的操作。但這項功能也有缺點，隨著建構指令碼變得越來越複雜，以工作為基礎的建構系統可能會變得難以使用。這種系統的問題在於，實際上會讓工程師擁有過多權力，而系統的權力不足。由於系統不知道指令碼的運作方式，因此必須非常謹慎地排定及執行建構步驟，因此效能會受到影響。而且系統無法確認每個指令碼是否正常運作，因此指令碼往往會變得越來越複雜，最後變成另一個需要偵錯的項目。

難以並行執行建構步驟

現代化的開發工作站功能強大，可透過多個核心並行執行多個建構步驟。但以工作為基礎的系統通常無法並行執行工作，即使看起來似乎可以並行執行也一樣。假設工作 A 依附於工作 B 和 C。由於工作 B 和 C 彼此之間沒有依賴關係，是否可以同時執行，讓系統更快執行工作 A？或許，如果不觸及任何相同的資源，但也許不是：也許兩者都使用相同的檔案追蹤狀態，同時執行時就會發生衝突。系統通常無法得知這類衝突，因此必須冒著發生這些衝突的風險 (導致發生很少見但很難偵錯的建構問題)，或是限制整個建構作業在單一程序的單一執行緒上執行。這可能會造成強大開發人員機器的巨大浪費，而且完全排除在多部機器上分發版本的可能性。

難以執行漸進式建構

優質的建構系統可讓工程師執行可靠的增量建構作業，因此即使只進行小幅變更，也不需要從頭開始重建整個程式碼集。如果建構系統速度緩慢，且無法因上述原因並行執行建構步驟，這項功能就格外重要。但不幸的是，以工作為基礎的建構系統在這方面也遇到困難。由於工作可執行任何操作，因此一般無法檢查工作是否已完成。許多工作只需取得一組來源檔案，並執行編譯器來建立一組二進位檔，因此如果基礎來源檔案未變更，就不需要重新執行。不過，如果沒有其他資訊，系統無法確定這項資訊，因為工作可能會下載可能已變更的檔案，或者每次執行時寫入的時間戳記可能不同。為確保正確性，系統通常必須在每次建構期間重新執行每項工作。部分建構系統會讓工程師指定需要重新執行工作條件的情況，藉此啟用增量建構。有時這麼做是可行的，但通常這項問題比看起來複雜得多。舉例來說，在允許其他檔案直接納入檔案的 C++ 等語言中，如果不解析輸入來源，就無法判斷必須監控變更的整組檔案。工程師通常會使用捷徑，而這些捷徑可能會導致罕見且令人沮喪的問題，導致任務結果重複使用，即使不應重複使用也一樣。這種情況如果經常發生，工程師就會養成在每次建構前執行清除作業的習慣，以便取得新狀態，這完全違背了採用增量建構的初衷。判斷何時需要重新執行工作，其實相當複雜，而且比起人類，機器更能勝任這項工作。

難以維護及偵錯指令碼

最後，以工作為基礎的建構系統所強制執行的建構指令碼通常很難使用。雖然建構指令碼通常不受太多審查，但它們與建構系統一樣是程式碼，因此很容易隱藏錯誤。以下是使用以工作為基礎的建構系統時，常見的錯誤範例：

工作 A 會依賴工作 B 產生特定檔案做為輸出內容。工作 B 的擁有者不知道其他工作會依賴該工作，因此將其變更為在不同位置產生輸出內容。只有在有人嘗試執行工作 A 並發現失敗時，才能偵測到這項問題。
工作 A 依賴工作 B，而工作 B 依賴工作 C，後者會產生特定檔案，做為工作 A 所需的輸出內容。工作 B 的擁有者決定不再需要依賴工作 C，這會導致工作 A 失敗，即使工作 B 完全不關心工作 C 也一樣！
新任務的開發人員不小心對執行任務的機器做出假設，例如工具的位置或特定環境變數的值。這項工作在他們的電腦上運作正常，但其他開發人員嘗試時卻失敗。
工作包含非確定性元件，例如從網際網路下載檔案，或在版本中新增時間戳記。如今，使用者每次執行建構作業時，可能會得到不同的結果，這表示工程師不一定能重現並修正彼此的失敗情形，或自動化建構系統發生的失敗情形。
具有多個依附元件的任務可能會產生競爭狀況。如果工作 A 同時依賴工作 B 和工作 C，且工作 B 和 C 都修改相同的檔案，則工作 A 會根據先完成的工作 (B 或 C) 取得不同的結果。

在本節所述的以工作為準的架構中，沒有任何通用方法可解決這些效能、正確性或可維護性問題。只要工程師可以編寫在建構期間執行的任意程式碼，系統就無法取得足夠資訊，無法一律快速且正確地執行建構作業。為解決這個問題，我們需要將部分權力從工程師手中移除，並交還給系統，並重新定義系統的角色，不以執行工作，而是以產生構件為主。

這種做法促成了 Blaze 和 Bazel 等以構件為基礎的建構系統。