从 Turborepo 看 Monorepo 工具的任务编排能力

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前言

2021 年 12 月 9 号，Vercel 的官方博客上发布了一篇名为 Vercel acquires Turborepo to accelerate build speed and improve developer experience 的博文，正如其标题所说，Vercel 收购了 Turborepo，以加速构建速度以及提高开发体验。

Turborepo 是一个用于 JavaScript 和 TypeScript 代码库的高性能构建系统。通过增量构建、智能远程缓存和优化的任务调度，Turborepo 可以将构建速度提高 85% 或更多，使各种规模的团队都能够维护一个快速有效的构建系统，该系统可以随着代码库和团队的成长而扩展。

博文中已经简明扼要的突出了 Turborepo 的优势，本文则会从现有的实际场景出发，谈谈大型代码仓库（Monorepo）可能会遇到的一些问题，再结合业界现有的解决方案，看看 Turborepo 在任务编排方面做出了哪些创新与突破。

一个合格 Monorepo 的自我修养

随着业务的发展和团队的变化，业务型 Monorepo 中的项目会逐渐增加，极端一点的例子就是 Google 将整个公司的代码都放到一个仓库中，仓库的大小达到了 80TB。

业务型 Monorepo：不同于 lib 型 Monorepo（React、Vue3、Next.js 以及 Babel 等广义上的 packages）,业务型 Monorepo 将多个业务应用 App 及其依赖的公用组件库或工具库组织到了一个仓库中。 ——《Eden Monorepo 系列：浅析 Eden Monorepo 工程化建设》

项目数量的增加意味着在享受 Monorepo 优势的同时，也带来了巨大的挑战，优秀的 Monorepo 工具可以让开发者毫无负担的享受 Monorepo 的优势，而不好用的 Monorepo 工具可以让开发者痛不欲生，甚至让人怀疑 Monorepo 存在的意义。

列举笔者遇到的一些实际场景：

1. 依赖版本冲突
   1. 新建一个项目，该项目由于依赖问题无法启动
   2. 新建一个项目，其他项目由于依赖问题无法启动
2. 依赖安装速度慢
   1. 初始化安装依赖 20min+
   2. 新增一个依赖 3min+
3. build/test/lint 等任务执行慢

笔者先前有过 Rush 的落地经验，在实践过程中，发现除了最基本的代码共享能力外，还应当至少具备三种能力，即：

1. 依赖管理能力。随着依赖数量的增加，依旧能够保持依赖结构的正确性、稳定性以及安装效率。
2. 任务编排能力。能够以最大的效率以及正确的顺序执行 Monorepo 内项目的任务（可以狭义理解为 npm scripts，如 build、test 以及 lint 等），且复杂度不会随着 Monorepo 内项目增多而增加。
3. 版本发布能力。能够基于改动的项目，结合项目依赖关系，正确地进行版本号变更、CHANGELOG 生成以及项目发布。

一些流行工具的支持能力如下表所示：

-	依赖管理	任务编排	版本管理
Pnpm Workspace	✅	✅	❌
Rush	✅(by Pnpm)	✅	✅
Lage	❌	✅	❌
Turborepo	❌	✅	❌
Lerna	❌	✅	✅

1. Pnpm：Pnpm 具备一定的任务编排能力 （--filter 参数），故此处也将其列入，同时作为 Package Manager，其自身更是大型 Monorepo 不可或缺的一部分。
2. Rush：由微软开源的可扩展 Monorepo 管理方案，内置 PNPM 以及类 Changesets 发包方案，其插件机制是一大亮点，使得利用 Rush 内置能力实现自定义功能变得极为方便，迈出了 Rush 插件生态圈的第一步。
3. Lage ：同样由微软开源，个人认为是 Turborepo 的前身，Turborepo 是 Lage 的 Go 语言版本。Lage 自称为 "Monorepo Task Runner"，相较于 Turborepo 的 "High-Performance Build System" 内敛许多，Star 数也相差了一个数量级（Lage 300+，而 Turborepo 5k+），更多可查看该 PR。在后文中 Lage 等同于 Turborepo。
4. Lerna：已经停止维护，故后续讨论不会将其纳入。

依赖管理过于底层，版本控制较为简单且已成熟，将这两项能力再做突破是比较困难的，实践中基本都是结合 Pnpm 以及 Changesets 补全整体能力，甚至就干脆专精于一点，即任务编排，也就是 Lage 以及 Turborepo 的发力点。

如何选择合适自己的 Monorepo 工具链？

1. Pnpm Workspace + Changesets：成本低，满足大多数场景
2. Pnpm Workspace + Changesets + Turborepo/Lage：在 1 的基础上增强任务编排能力
3. Rush：考虑全面，扩展性强

任务编排可以划分为三个步骤，各工具支持如下：

	范围界定	并行执行	云端缓存
Pnpm	✅	✅	❌
Rush	✅	✅	✅
Turborepo/Lage	✅	✅	✅

范围界定：按需执行子集任务

该能力在日常开发中具有丰富的使用场景。

例如第一次拉取仓库，启动项目 app1 需要构建 Monorepo 内 app1 的前置依赖 package1 以及 package2。

而在 SCM 上打包项目 app1 时，需要构建 app1 自身以及 Monorepo 内 app1 的前置依赖 package1 以及 package2。

此时则应该根据需要筛选出需要构建的项目，而不应该引入与当前意图无关的项目构建。

在不同的 Monorepo 工具中，这一行为有着不同的称呼：

1. Rush 中称之为 Selecting subsets of projects，选择项目子集，在本示例中应当使用如下命令：

// 本地启动 app1 开发模式，app1 为依赖图的顶端，但不需要构建 app1 自身
$ rush build --to-except @monorepo/app1

// SCM 打包 app1，app1 为依赖图的顶端，且需要构建 @monorepo/app1 自身
$ rush build --to @monorepo/app1

2. Pnpm 中称之为 Filtering，即过滤，将命令限制于包的特定子集，在本示例中应当使用如下命令：

// 本地启动 app1 开发模式，app1 为依赖图的顶端，但不需要构建 app1 自身
$ pnpm build --filter @monorepo/app1^...

// SCM 打包 app1，app1 为依赖图的顶端，且需要构建 @monorepo/app1 自身
$ pnpm build --filter @monorepo/app1...

3. Turborepo/Lage 中称之为Scoped Tasks，但目前（2022/02/13）这一能力过于局限，Vercel 团队正在设计一套与 Pnpm 基本一致的 filter 语法，详情参见 RFC: New Task Filtering Syntax

范围界定保证了执行任务的数量不会随着 Monorepo 内无关项目的增加而增加，丰富的参数能够帮助我们在各种场景（package 发包、app 构建以及 CI 任务）去进行 selecting/filtering/scoping。

比如修改了 package5，在 Merge Request 的 CI 环境需要保证 package5 以及依赖 package5 的项目不会因为本次修改而构建失败，则可以使用以下命令：

// 使用 Rush
$ rush build --to @monorepo/package5 --from @monorepo/package5

// 使用 Pnpm
$ pnpm build --filter ...@monorepo/package5...

在本示例中最终会挑选出 package5 以及 app3 进行构建，从而在 CI 上达到了合入代码的最低要求——不影响其他项目构建。

基于工作区所有项目的 package.json 文件，可以方便地得到项目之间的具体依赖关系，每一个项目 Project 都知晓其上游项目 Dependents 以及其下游依赖 Dependencies，配合开发者传入的参数，从而方便地进行子集项目选择。

并行执行：充分释放机器性能

假设挑选出了 20 个子集任务，应该如何执行这 20 个任务来保证正确性以及效率呢？

Project 之间存在依赖关系，那么任务之间也存在依赖关系，以 build 任务为例，只有前置依赖构建完毕，才可构建当前项目。

网上有一道比较流行的控制最大并发数面试题，大致题意是：给定 m 个 url，每次最大并行请求数为 n，请实现代码保证最大请求数。

这道题的思路其实与任务编排中的任务并行执行大同小异，只不过面试题中的 url 不存在依赖关系，而任务之间存在拓扑序，差别仅此而已。

那么任务的执行思路也就呼之欲出了：

1. 初始可执行的任务一定是不存在任何前置任务的任务
   • 其 Dependencies 数量为 0
2. 一个任务执行完成后，从任务队列中查找下一个可执行的任务，并立刻执行
   • 一个任务执行完成后，需要更新其 Dependents 的 Dependencies 数量，从其内移除当前任务（Dependencies 数量 -1）
   • 一个任务是否可执行，取决于其 Dependencies 是否全部执行完毕（Dependencies 数量为 0）

本文不作代码层面讲解，具体实现可见 Monorepo 中的任务调度机制 一文，在代码层面上实现了任务的拓扑序并行执行。

打破任务边界

本图来自 Turborepo: Pipelining Package Tasks

之前谈到任务执行时，都是在同一种任务下，比如 build、lint 或是 test，在并行执行 build 任务时，不会去考虑 lint 或是 test 任务。如上图 Lerna 区域所示，依次执行四种任务，每一种任务都被前一种任务阻塞住了，即使内部是并行执行的，但不同任务之间依旧存在了资源浪费。

Lage/Turborepo 为开发者提供了一套明确任务关系的方法（见 turbo.json），基于该关系，Lage/Turborepo 可以去进行不同种类任务间的调度和优化。

相较于一次只能执行一种任务，重叠瀑布式的任务执行效率当然要高得多。

turbo.json

{
  "$schema": "https://turborepo.org/schema.json",
  "pipeline": {
    "build": {
      // 其依赖项构建命令完成后，进行构建
      "dependsOn": ["^build"]
    },
    "test": {
      // 自身的构建命令完成后，进行测试（故上图存在错误）
      "dependsOn": ["build"]
    },
    "deploy": {
      // 自身 lint 构建测试命令完成后，进行部署
      "dependsOn": ["build", "test", "lint"]
    },
    // 随时可以开始 lint
    "lint": {}
  }
}

正确编排顺序

Rush 在 20 年 3 月以及 10 月也进行过相关设计的讨论，并于 21 年年底支持了类似的功能特性，具体 PR 可查阅 [rush] Add support for phased commands. #3113

• Turborepo: Pipelining Package Tasks
• How does lage work?
• [rush] Design proposal: "phased" custom commands #2300

云端缓存：跨多环境复用缓存

Rush 具备增量构建的特性，使 rush build 能够跳过自上次构建以来输入文件（input files）没有变化的项目，配合第三方存储服务，可以达到跨多环境复用缓存的效果。

Rush 在 5.57.0 版本引入了插件机制 ，进而支持了第三方远端缓存能力（在此之前仅支持 azure 与 amazon），赋予了开发者实现基于企业内部服务的构建缓存方案的能力。

落地到日常开发场景中，本地开发、CI 以及 SCM 各开发环节都能从中受益。

上文有提到，在 CI 环节构建改动项目及其上下游项目可以一定程度上保证 Merge Request 的质量。

如上图所示，存在场景修改了 package0 的代码，为了保证其上下游构建不被影响，则在 CI Build Changed Projects 阶段，会执行以下命令：

$ rush build --to package0 --from package0

基于 git diff 挑选出源文件改动的 projects，此处为 package0

经过范围界定，package0 及其上游 app1 会被纳入构建流程，由于 app1 需要构建，作为其前置依赖，package1 至 package5 也需要被构建，但这 5 个 package 实际上与 package0 并不存在依赖关系，也不存在变更，仅为了完成 app1 的构建准备工作。

若依赖关系复杂起来，比如某个基础包被多个应用引用，那么类似于 package1-package5 的准备构建工作就会大大增多，导致这一阶段 CI 十分缓慢。

实际构建项目数 = 改动项目的下游项目数 + 改动项目的上游项目数 + 改动项目的下游项目前置依赖数+ 改动项目上游项目的前置依赖数

由于 package1-package5 等 5 个项目与 package0 不存在直接或间接的依赖关系，且输入文件没有改变，故能够命中缓存（如有），跳过构建行为。

如此便将构建范围由 7 个 project 降至 2 个 project。

实际构建项目数 = 改动项目 + 改动项目的上游项目数

如何判断是否命中缓存?

在云端，每一个项目构建结果的缓存压缩包与其输入文件 input files 计算出来的 cacheId 形成映射，输入文件未发生变化，则计算出来的 cacheId 值就不会变化（内容哈希），就能命中对应的云端缓存。

输入文件包含以下内容：

1. 项目代码源文件
2. 项目 NPM 依赖
3. 项目依赖的其他 Monorepo 内部项目的 cacheId

若对实现感兴趣，可以查看 @rushstack/package-deps-hash。

结语

在编写本文过程中笔者也想起了 @sorrycc 在 GMTC 上分享的 《前端构建提速的体系化思路》中提到的构建提速三大法宝：

1. 延迟处理。基于请求的按需编译、延迟编译 sourcemap
2. 缓存。Vite Optmize、Webpack5 物理缓存、Babel 缓存
3. Native Code。SWC、ESBuild

作为任务编排工具来讲，Native Code 的优势并不明显（虽然 Turborepo 使用 Go 语言编写，但 Lage 作者认为在现有规模下，任务编排的效率瓶颈并不在编排工具本身），但延迟处理与缓存是有异曲同工之妙的。

最后使用精简且务实的 Lage 官网副标题作为本文主题「任务编排」的结尾：

Run all your npm scripts in topological order incrementally with cloud cache - @microsoft/lage

配合云端缓存，依照拓扑排序增量运行你所有的 npm scripts。

参考

• monorepo.tools: Your defacto #guide on #monorepos.
• Rush: a scalable monorepo manager for the web
• Lage: A Beautiful JS Monorepo Task Runner
• JS Monorepo Workspace Tools
• Pnpm-Filtering