In der heutigen Softwareentwicklung gewinnt die Automatisierung von Build-Prozessen immer mehr an Bedeutung. Continuous Integration (CI) Plattformen ermöglichen Entwicklern, ihre Anwendungen schnell, zuverlässig und reproduzierbar zu erstellen. Eine häufige Herausforderung besteht jedoch darin, Build-Zeiten zu optimieren und unnötigen Workload zu vermeiden. Hier setzt das Caching während des Container-Builds an und insbesondere die Möglichkeit, mit der Option run --mount=type=cache wiederverwendbare Cache-Verzeichnisse zu definieren. Diese Funktion eröffnet neue Wege, um den Build-Prozess effizienter zu gestalten – insbesondere in CI-Umgebungen wie GitHub Actions, GitLab CI oder anderen Plattformen.
Die zentrale Fragestellung lautet: Wie lässt sich der Cache aus einem Build zuverlässig erhalten und in nachfolgenden Builds nutzen? Die BuildKit Cache Dance Methode stellt hierfür eine innovative Lösung dar und sorgt dafür, dass Cache-Mounts auch auf CI-Plattformen erhalten bleiben. Zunächst ist es wichtig zu verstehen, was die Option run --mount=type=cache wirklich bedeutet. Innerhalb eines Dockerfiles erlaubt diese Anweisung, Verzeichnisse temporär als Cache zu mounten, sodass wiederholte Vorgänge wie das Herunterladen von Paketen oder das Kompilieren von Programmen beschleunigt werden. Ein Beispiel ist das Zwischenspeichern von apt-get-Paketen im Verzeichnis /var/cache/apt, wodurch bei nachfolgenden Builds ein erneutes Herunterladen entfällt. Obwohl die Cache-Verzeichnisse innerhalb des Containers persistieren, werden sie normalerweise nicht zwischen Builds auf CI-Plattformen erhalten, welche bei jedem Build mit einem frischen Container starten.
Daraus resultiert, dass das Caching seine Wirkung verliert und die Vorteile sich kaum bemerkbar machen. Hier kommt das reproduzierbare-containers/buildkit-cache-dance Projekt ins Spiel. Dieses Werkzeug ermöglicht die Extraktion der Cache-Inhalte aus dem vorherigen Build und deren Wiedereinbringung in den aktuellen Build. Somit kann ein Cache auch über mehrere Builds hinweg erhalten bleiben, was insbesondere bei CI-Plattformen mit flüchtigen Umgebungen ein großer Vorteil ist. Das Projekt wurde ursprünglich von overmindtech/buildkit-cache-dance entwickelt und wird nun aktiv weiterentwickelt.
Die Funktion stuft die Caches aus dem Build auf die CI-Plattform als persistente Speicher zwischen den Builds ab und ermöglicht durch die Inject- und Extract-Schritte eine nahtlose Übertragung. Im praktischen Einsatz sieht dies bei GitHub Actions wie folgt aus: Zunächst wird während des Builds der Cache extrahiert und in ein Verzeichnis auf der CI-Plattform, meist mit actions/cache@v4 verwaltet, gespeichert. Beim nächsten Build wird dieser Cache wieder in den Builder injiziert, sodass Docker BuildKit bei der Ausführung der run-Anweisung den Cache mounten und verwenden kann. Der Vorteil ist eine drastisch verringerte Build-Zeit, da zeitraubende Schritte wie das Herunterladen von Paketen entfallen. Die Umsetzung erfordert eine Anpassung des Workflows und Dockerfiles.
Im Dockerfile werden die entsprechenden Verzeichnisse mit --mount=type=cache versehen und beispielsweise für apt-get die Verzeichnisse /var/cache/apt und /var/lib/apt definiert. Der Workflow in GitHub Actions bindet anschließend diese Verzeichnisse per wiederverwendbarem Cache ein und nutzt buildkit-cache-dance als Schritt, um die Cache-Daten zwischen Builds zu extrahieren und zu injecten. Die Flexibilität des Tools erlaubt auch die Definition eines sogenannten Cache-Maps, mit welchem mehrere Verzeichnisse gleichzeitig verwaltet und fein granular gesteuert werden können. So kann man nicht nur apt-get, sondern auch Programmiersprachen-Caches wie Go-Build-Cache, npm-Cache oder andere Persistenzen abdecken. Die Vorteile dieser Technik liegen klar auf der Hand.
Die Builds werden signifikant beschleunigt, was in modernen Entwicklungszyklen entscheidend ist. Entwickler müssen nicht mehr bei jedem Build von Grund auf Pakete herunterladen oder kompilieren. Serverkapazitäten werden effizienter genutzt, da Ressourcen nicht unnötig mehrfach abgerufen werden. Dies führt zu Kosteneinsparungen und einer verbesserten Developer-Experience. Neben GitHub Actions lassen sich ähnliche Konzepte auch in anderen Plattformen wie GitLab CI oder Jenkins anwenden.
Voraussetzung ist, dass zumindest ein persistent Storage für die Zwischenspeicherung des Caches zur Verfügung steht und die Build-Umgebung so konfiguriert werden kann, dass sie externe Verzeichnisse in den Buildprozess einbindet. Die Möglichkeit, das Tool auch per Kommandozeilen-Interface zu nutzen, erlaubt es zudem, Builds lokal oder in anderen Umgebungen konsistent zu gestalten. Bei der Implementierung sollten einige wichtige Aspekte beachtet werden. So muss beim Cache-Key sorgfältig darauf geachtet werden, dass der Cache invalidiert wird, sobald sich der Build-Kontext oder die Abhängigkeiten ändern. Ansonsten läuft man Gefahr, veraltete oder inkompatible Cache-Daten zu verwenden, was zu Fehlern führen kann.
Ein weiterer Punkt ist die Sicherheit: Caches können sensible Daten enthalten, weshalb die Zugriffsrechte und das Handling innerhalb der CI-Umgebung gewissenhaft gestaltet werden sollten. Die zunehmende Integration von BuildKit als Standard-Builder in Docker und die breite Unterstützung durch CI-Plattformen fördert die Verbreitung dieser Caching-Technik. Schon heute gibt es viele Beispiele aus der Praxis, bei denen Projekte unterschiedlichster Größenordnungen von der BuildKit Cache Dance Methode profitieren und ihre Entwicklungszyklen maßgeblich verkürzen konnten. Daher lohnt es sich, dieses Thema intensiver zu betrachten und im eigenen Projekt zu evaluieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass run --mount=type=cache in Kombination mit Tools wie buildkit-cache-dance ein leistungsstarkes Werkzeug darstellt, um Container-Builds auf Continuous Integration Plattformen zu optimieren.
Die Wiederverwendung von Caches umgeht das Problem flüchtiger CI-Umgebungen und spart wertvolle Zeit bei der Softwareentwicklung. Entwickler und Teams, die ihre Pipelines effizienter gestalten möchten, sollten diese Technologie unbedingt in Betracht ziehen und in ihre Prozesse integrieren, um von den Vorteilen eines intelligenten Cache-Managements zu profitieren.
