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某些複雜問題。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

在以任務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」，而「task」一詞則是指「command」)。每項工作都會執行 Ant 定義的可能指令清單，包括建立和刪除目錄、執行 javac 和建立 JAR 檔案。使用者提供的外掛程式可以擴充這組指令，以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，並發現其具有名為 init 的工作的依附元件。
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。
由於所有任務的依附元件皆已執行，因此執行 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 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。可以在其他目錄中建立新的建構檔案，並將其連結在一起。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。Maven 和 Gradle 等其他工具在 Ant 的過渡時期中做了改善，基本上就是新增了多項功能，例如自動管理外部依附元件，以及在沒有 XML 的情況下採用更簡潔的語法。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，可讓您執行任何可想像的操作。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正在執行的作業，因此效能會降低，因為系統必須嚴格選擇如何排定及執行建構步驟。而且系統無法確認每個指令碼都能正常運作，因此指令碼往往會複雜增加，最終會成為需要偵錯的項目。

建構步驟並行處理的難度

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。但是，以任務為基礎的系統通常無法平行執行任務執行作業，即使看起來應該能夠平行執行。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？或許他們沒有碰到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問題，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。這可能會浪費效能強大的開發人員機器，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作業

良好的建構系統可讓工程師執行可靠的漸進式建構作業，即使小幅變更，也不需要從頭開始重新建構整個程式碼集。如果建構系統速度緩慢，且因為上述原因無法平行處理建構步驟，這一點就格外重要。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。也許工作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任務的條件，藉此啟用增量建構作業。有時這可以避免，但這往往不容易。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困擾的問題，導致任務結果重複使用，即使不應重複使用也一樣。如果這種情況經常發生，工程師會在每次版本前先養成清理的習慣，才能取得全新狀態，完全擊敗了一開始使用漸進式建構作業的目的。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附帶的建構指令碼通常很難使用。雖然建構指令碼通常不受嚴密審查，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 仰賴工作 B 產生特定檔案做為輸出。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 的擁有者判定這項工作不需要再依附工作 C，這將導致工作 A 失敗，即使工作 B 完全不在意工作 C！
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。
工作包含非確定性的元件，例如從網際網路下載檔案，或為建構作業新增時間戳記。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況，或自動化建構系統發生的失敗情況。
具有多個依附元件的任務可能會造成競爭狀況。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。

在本文以工作為基礎的架構中，並沒有一般用途可以解決這些效能、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的資訊，一律以快速正確的方式執行建構作業。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，而是以產生構件為目標。

這種做法促成了 Blaze 和 Bazel 等以構件為基礎的建構系統。