Cuando tienes una base de código grande, las cadenas de dependencias pueden volverse muy profundas. Incluso los objetos binarios simples pueden depender de decenas de miles de objetivos de compilación. A esta escala, es imposible completar una compilación en un tiempo razonable en una sola máquina: ningún sistema de compilación puede evadir las leyes fundamentales de la física impuestas en el hardware de una máquina. La única forma de hacer esto es con un sistema de compilación que admita compilaciones distribuidas en el que las unidades de trabajo que realiza el sistema se distribuyan en una cantidad arbitraria y escalable de máquinas. Si dividimos el trabajo del sistema en unidades lo suficientemente pequeñas (hablaremos sobre esto más adelante), esto nos permitiría completar cualquier compilación de cualquier tamaño tan rápido como estemos dispuestos a pagar. Esta escalabilidad es el santo grial en el que trabajamos con 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, que se muestra en la figura 1.
Figura 1: Una compilación distribuida que muestra el almacenamiento en caché remoto
Cada sistema que realiza compilaciones, incluidas las estaciones de trabajo para desarrolladores y los sistemas de integración continua, comparte una referencia a un servicio común de caché remota. Este servicio puede ser un sistema de almacenamiento rápido y local 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 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 tener que volver a compilarlas cada usuario. En Google, muchos artefactos se entregan desde una caché en lugar de compilarse desde cero, lo que reduce considerablemente el costo de ejecutar el 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 para 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 la descarga de un artefacto sean los mismos que los de compilarlo por tu cuenta. Ten en cuenta que esto requiere que a cada artefacto de la caché se le asigne una clave en su destino y en un hash de sus entradas; de esa manera, diferentes ingenieros podrían realizar diferentes 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 de una caché remota, la descarga de un artefacto debe ser más rápida que compilarlo. Este no siempre es el caso, en especial si el servidor de caché está lejos de la máquina que realiza la compilación. El sistema de compilación y red de Google se ajusta cuidadosamente para poder compartir los resultados de la compilación con rapidez.
Ejecución remota
El almacenamiento en caché remoto no es una compilación distribuida verdaderamente. Si se pierde la caché o si realizas un cambio de bajo nivel que requiere que todo se vuelva a compilar, 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 acciones de componentes y programa la ejecución de esas acciones en un grupo escalable de trabajadores. Cada trabajador realiza las acciones solicitadas 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 puede producir el resultado final y enviarlo al usuario.
La parte más complicada de implementar un sistema de este tipo es administrar la comunicación entre los trabajadores, la instancia principal y la máquina local del usuario. Es posible que los trabajadores dependan de artefactos intermedios que producen otros trabajadores, y el resultado final debe enviarse de vuelta a la máquina local del usuario. Para ello, podemos compilar sobre la caché distribuida descrita anteriormente y hacer que cada trabajador escriba sus resultados y lea sus dependencias desde la caché. La instancia principal impide que los trabajadores continúen hasta que finalice 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 otros medios para exportar los cambios locales en el árbol de fuentes del usuario, de modo que los trabajadores puedan aplicar esos cambios antes de compilar.
Para que esto funcione, todas las partes de los sistemas de compilación basados en artefactos descritos antes deben combinarse. 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 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. Estas garantías son muy difíciles de proporcionar para un sistema basado en tareas, lo que hace casi imposible compilar un sistema de ejecución remota confiable sobre otro.
Compilaciones distribuidas en Google
Desde 2008, Google usa un sistema de compilación distribuido que emplea almacenamiento en caché y 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 resultados compilados en Bigtable, distribuidos por toda nuestra flota de máquinas de producción, y un daemon del 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 compilación como si fueran archivos normales almacenados en la estación de trabajo, pero con el contenido del archivo descargado a pedido solo para algunos archivos que el usuario solicita directamente. La entrega del 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 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 (equivalente interno de Bazel), llamado 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, coloca la acción en una cola. Un gran grupo de trabajos del Ejecutor lee de forma continua acciones de esta cola, las ejecuta y almacena los resultados directamente en los Bigtable de ObjFS. Estos resultados están disponibles para los ejecutores a fin de realizar acciones futuras o para que el usuario final los descargue a través de objfsd.
El resultado final es un sistema que escala para admitir de manera eficiente todas las compilaciones realizadas en Google. Además, la escala de las compilaciones de Google es realmente masiva: Google 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 con rapidez, sino que también nos permite implementar una gran cantidad de herramientas y sistemas automatizados que dependen de nuestra compilación.