Cuando tienes una base de código grande, las cadenas de dependencias pueden volverse muy profundas. Incluso los objetos binarios simples a menudo pueden depender de decenas de miles de destinos de compilación. A esta escala, es imposible completar una compilación en un tiempo razonable en una sola máquina: ningún sistema de compilación puede sortear las leyes fundamentales de la física impuestas al hardware de una máquina. La única forma de hacer 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 de esto), esto nos permitiría completar cualquier compilación de cualquier tamaño tan rápido como estamos dispuestos a pagar. Esta escalabilidad es el santo grial en el que hemos estado trabajando mediante la definición de un sistema de compilación basado en artefactos.
Almacenamiento en caché remota
El tipo de compilación distribuida más simple es el que solo aprovecha el almacenamiento en caché remoto, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Una compilación distribuida que muestra el almacenamiento en caché remoto
Todos los sistemas que realizan compilaciones, incluidas las estaciones de trabajo para desarrolladores y los sistemas de integración continua, comparten una referencia a un servicio común de caché remota. Este servicio puede ser un sistema de almacenamiento a corto plazo rápido y local, como Redis, o un servicio en la nube como Google Cloud Storage. Cada vez que un usuario necesita compilar un artefacto, ya sea de forma directa 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 de nuevo 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 tenga que volver a compilarlas. 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 un sistema de almacenamiento en caché remoto funcione, el sistema de compilación debe garantizar que las compilaciones sean completamente reproducibles. Es decir, para cualquier destino de compilación, debe ser posible determinar el conjunto de entradas de ese destino, de modo que el mismo conjunto de entradas produzca exactamente el mismo resultado en cualquier máquina. Esta es la única forma de garantizar que los resultados de descargar un artefacto sean los mismos que los de compilarlo uno mismo. Ten en cuenta que esto requiere que cada artefacto de la caché esté vinculado con su destino y un hash de sus entradas. De esta manera, diferentes ingenieros podrían realizar distintas modificaciones en el mismo destino al mismo tiempo, y la caché remota almacenaría todos los artefactos resultantes y los entregaría de forma adecuada sin conflictos.
Por supuesto, para que haya algún beneficio con una caché remota, descargar un artefacto debe ser más rápido que compilarlo. Esto no siempre es así, en especial si el servidor de caché está lejos de la máquina que realiza la compilación. El sistema de red y compilación de Google se ajusta cuidadosamente para que pueda compartir los resultados de la compilación con rapidez.
Ejecución remota
El almacenamiento en caché remoto no es una verdadera compilación distribuida. Si se pierde la caché o si realizas un cambio de bajo nivel que requiere que se vuelva a compilar todo, deberás realizar toda la compilación de forma local en tu máquina. El verdadero objetivo 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 una instancia principal de compilación central. La instancia principal de compilación divide las solicitudes en sus acciones 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 que especifica el usuario y escribe los artefactos resultantes. Estos artefactos se comparten entre las otras máquinas que ejecutan acciones que los requieren hasta que se pueda producir y enviar al usuario el resultado final.
La parte más difícil de implementar un sistema de este tipo es administrar la comunicación entre los trabajadores, la instancia principal 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 compilar a partir de la caché distribuida descrita anteriormente. Para ello, podemos hacer que cada trabajador escriba sus resultados en la caché y lea sus dependencias. La instancia principal impide que los trabajadores continúen hasta que termine todo de lo que dependen, en cuyo caso podrán leer sus entradas desde 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 diferente para exportar los cambios locales en el árbol fuente del usuario, de modo 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 antes deben unirse. Los entornos de compilación deben ser completamente autodescriptivos para que podamos iniciar trabajadores sin intervención humana. Los procesos de compilación deben ser completamente independientes, ya que cada paso puede ejecutarse en una máquina diferente. Las salidas deben ser completamente deterministas para que cada trabajador pueda confiar en los resultados que recibe de otros trabajadores. Esas garantías son extremadamente difíciles de proporcionar para un sistema basado en tareas, 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 distribuida que emplea tanto el almacenamiento en caché remoto como la ejecución remota, como se ilustra en la Figura 3.
Figura 3. Sistema de compilación distribuido de Google
La caché remota de Google se llama ObjFS. Consiste en un backend que almacena los resultados de la compilación en Bigtable distribuidos en nuestra flota de máquinas de producción y un daemon de FUSE de frontend llamado objfsd que se ejecuta en la máquina de cada desarrollador. El daemon de FUSE permite a los ingenieros explorar los resultados de la compilación como si fueran archivos normales almacenados en la estación de trabajo, pero con el contenido del archivo descargado a pedido solo para los pocos archivos que el usuario solicita directamente. Entregar contenido de archivos a pedido reduce en gran medida el uso de la red y del disco, y el sistema puede compilar el doble de rápido que 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 el distribuidor envía solicitudes para cada acción a un trabajo que se ejecuta en nuestros centros de datos llamado Programador. El programador mantiene una caché de resultados de acciones, lo que le permite mostrar una respuesta de inmediato si otro usuario del sistema ya creó la acción. De lo contrario, la coloca en una cola. Un gran grupo de trabajos de ejecutor lee continuamente acciones de esta cola, las ejecuta y almacena los resultados directamente en Bigtable 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 escala para admitir de manera eficiente todas las compilaciones realizadas en Google. El escalamiento de las compilaciones de Google es enorme: ejecuta millones de compilaciones que ejecutan millones de casos de prueba y produce 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.