Cuando tienes una base de código grande, las cadenas de dependencias pueden volverse muy profundas. Incluso los archivos binarios simples a menudo pueden depender de decenas de miles de objetivos de compilación. En esta escala, es imposible completar una compilación en un período razonable en una sola máquina: ningún sistema de compilación puede eludir las leyes fundamentales de la física impuestas en el hardware de una máquina. La única forma de que esto funcione es con un sistema de compilación que admita compilaciones distribuidas en las que las unidades de trabajo que realiza el sistema se distribuyen en una cantidad arbitraria y escalable de máquinas. Si suponemos que dividimos el trabajo del sistema en unidades lo suficientemente pequeñas (más adelante hablaremos sobre esto), esto nos permitiría completar cualquier compilación de cualquier tamaño tan rápido como estemos dispuestos a pagar. Esta escalabilidad es el santo grial que buscamos definiendo un sistema de compilación basado en artefactos.
Almacenamiento en caché remota
El tipo más simple de compilación distribuida es el que solo aprovecha el almacenamiento en caché remota, que se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Una compilación distribuida que muestra el almacenamiento en caché remota
Cada sistema que realiza compilaciones, incluidas las estaciones de trabajo para desarrolladores y los sistemas de integración continua, comparte una referencia a un servicio de caché remota común. Este servicio puede ser un sistema de almacenamiento local y rápido a corto plazo, como Redis, o un servicio en la nube, como Google Cloud Storage. Cuando un usuario necesita compilar un artefacto, ya sea directamente o como una dependencia, el sistema primero verifica con la caché remota para ver si ese artefacto ya existe allí. Si es así, puede descargar el artefacto en lugar de compilarlo. De lo contrario, el sistema compila el artefacto y sube el resultado a la caché. Esto significa que las dependencias de bajo nivel que no cambian con mucha frecuencia se pueden compilar una vez y compartir entre los usuarios en lugar de que cada usuario las vuelva a compilar. En Google, muchos artefactos se entregan desde una caché en lugar de compilarse desde cero, lo que reduce en gran medida el costo de ejecutar nuestro sistema de compilación.
Para que funcione un sistema de almacenamiento en caché remota, el sistema de compilación debe garantizar que las compilaciones sean completamente reproducibles. Es decir, para cualquier objetivo de compilación, debe ser posible determinar el conjunto de entradas a ese objetivo de modo que el mismo conjunto de entradas produzca exactamente la misma salida en cualquier máquina. Esta es la única forma de garantizar que los resultados de la descarga de un artefacto sean los mismos que los de la compilación. Ten en cuenta que esto requiere que cada artefacto en la caché se clave en su objetivo y en un hash de sus entradas. De esa manera, diferentes ingenieros podrían realizar diferentes modificaciones en el mismo objetivo al mismo tiempo, y la caché remota almacenaría todos los artefactos resultantes y los entregaría de manera adecuada sin conflictos.
Por supuesto, para que haya algún beneficio de una caché remota, la descarga de un artefacto debe ser más rápida que la compilación. Este no siempre es el caso, en especial si el servidor de caché está lejos de la máquina que realiza la compilación. La red y el sistema de compilación de Google se ajustan cuidadosamente para poder compartir rápidamente los resultados de la compilación.
Ejecución remota
El almacenamiento en caché remota no es una compilación distribuida verdadera. Si se pierde la caché o si realizas un cambio de bajo nivel que requiere que se vuelva a compilar todo, debes realizar toda la compilación de forma local en tu máquina. El objetivo real es admitir la ejecución remota, en la que el trabajo real de realizar la compilación se puede distribuir entre cualquier cantidad de trabajadores. En la Figura 2, se muestra un sistema de ejecución remota.
Figura 2. Un sistema de ejecución remota
La herramienta de compilación que se ejecuta en la máquina de cada usuario (en la que los usuarios son ingenieros humanos o sistemas de compilación automatizados) envía solicitudes a un maestro de compilación central. El maestro de compilación divide las solicitudes en sus acciones de componentes y programa la ejecución de esas acciones en un grupo escalable de trabajadores. Cada trabajador realiza las acciones que se le solicitan con las entradas especificadas por el usuario y escribe los artefactos resultantes. Estos artefactos se comparten en las otras máquinas que ejecutan acciones que los requieren hasta que se pueda producir el resultado final y enviarlo al usuario.
La parte más difícil de implementar un sistema de este tipo es administrar la comunicación entre los trabajadores, el maestro y la máquina local del usuario. Los trabajadores pueden depender de artefactos intermedios producidos por otros trabajadores, y el resultado final debe enviarse de vuelta a la máquina local del usuario. Para ello, podemos aprovechar la caché distribuida que se describió anteriormente haciendo que cada trabajador escriba sus resultados y lea sus dependencias de la caché. El maestro impide que los trabajadores continúen hasta que termine todo lo que dependen, en cuyo caso podrán leer sus entradas de la caché. El producto final también se almacena en caché, lo que permite que la máquina local lo descargue. Ten en cuenta que también necesitamos un medio independiente para exportar los cambios locales en el árbol de origen del usuario para que los trabajadores puedan aplicar esos cambios antes de la compilación.
Para que esto funcione, todas las partes de los sistemas de compilación basados en artefactos que se describieron anteriormente deben unirse. Los entornos de compilación deben ser completamente autoexplicativos para que podamos activar trabajadores sin intervención humana. Los procesos de compilación deben ser completamente independientes, ya que cada paso se puede ejecutar en una máquina diferente. Los resultados deben ser completamente deterministas para que cada trabajador pueda confiar en los resultados que recibe de otros trabajadores. Es muy difícil que un sistema basado en tareas proporcione esas garantías, lo que hace que sea casi imposible compilar un sistema de ejecución remota confiable sobre uno.
Compilaciones distribuidas en Google
Desde 2008, Google usa un sistema de compilación distribuido que emplea el almacenamiento en caché remota y la ejecución remota, que se ilustra en la Figura 3.
Figura 3. El sistema de compilación distribuido de Google
La caché remota de Google se llama ObjFS. Consiste en un backend que almacena resultados de compilación en Bigtables distribuidas en toda nuestra flota de máquinas de producción y un daemon FUSE de frontend llamado objfsd que se ejecuta en la máquina de cada desarrollador. El daemon FUSE permite a los ingenieros explorar los resultados de la compilación como si ellos fueran archivos normales almacenados en la estación de trabajo, pero con el contenido del archivo descargado a pedido solo para los pocos archivos que solicita directamente el usuario. La entrega de contenido de archivos a pedido reduce en gran medida el uso de la red y el disco, y el sistema puede compilar el doble de rápido en comparación con cuando almacenamos todos los resultados de la compilación en el disco local del desarrollador.
El sistema de ejecución remota de Google se llama Forge. Un cliente de Forge en Blaze (el equivalente interno de Bazel) llamado Distributor envía solicitudes para cada acción a un trabajo que se ejecuta en nuestros centros de datos llamado Scheduler. El Scheduler mantiene una caché de los resultados de las acciones, lo que le permite mostrar una respuesta de inmediato si la acción ya fue creada por cualquier otro usuario del sistema. De lo contrario, coloca la acción en una cola. Un gran grupo de trabajos de Executor lee continuamente acciones de esta cola, las ejecuta y almacena los resultados directamente en las Bigtables de ObjFS. Estos resultados están disponibles para los ejecutores para acciones futuras o para que el usuario final los descargue a través de objfsd.
El resultado final es un sistema que se adapta para admitir de manera eficiente todas las compilaciones que se realizan en Google. Y la escala de las compilaciones de Google es realmente masiva: Google ejecuta millones de compilaciones que ejecutan millones de casos de prueba y producen petabytes de resultados de compilación a partir de miles de millones de líneas de código fuente todos los días. Este sistema no solo permite que nuestros ingenieros compilen bases de código complejas rápidamente, sino que también nos permite implementar una gran cantidad de herramientas y sistemas automatizados que dependen de nuestra compilación.