Michael Kaaden

[Docker Serie 4/4] Multi-Stage Builds oder: Immer die Build-Umgebung dabei haben

23.12.2019

Multi-Stage Builds für Angular: Wie Sie Apps gleich im Container bauen und trotzdem schlanke Docker-Images erstellen. Vermeiden Sie Risiken durch externe Abhängigkeiten! Dies ist der letzte Teil unserer Artikelserie zu Angular und Docker.

Inhaltsverzeichnis:

Sie finden den Code zum Artikel auf GitHub.

In Teil I dieser Artikelserie haben Sie gelernt, wie Sie Ihre Angular-App in ein Docker-Image verpacken und in einem Container zur Ausführung bringen können.

In Teil II haben wir uns damit beschäftigt, die Konfiguration der Angular-App mit Docker-Mitteln vorgeben zu können.

In diesem letzten Teil der Serie kümmern wir uns darum, die Build-Umgebung deskriptiv in Ihr jeweiliges Projekt einzubinden und somit über die Projektlaufzeit hinweg unter Ihrer Kontrolle zu halten.


Interne und externe Abhängigkeiten

Kennen Sie das? Sie entwickeln ein Projekt nach allen Regeln der Ingenieurskunst durch, übergeben es dem Betrieb oder dem Kunden – und dann fassen Sie es nicht mehr an, bis sich jemand bei Ihnen meldet und nach Änderungen verlangt.

Das ist dann der Moment, an dem Sie den Staub vom Projekt pusten und sich vielleicht als erstes fragen, wie Sie das damals gebaut haben. Beschränken wir uns auf TypeScript- oder JavaScript-Projekte, dann haben Sie vielleicht in der Sektion scripts in der package.json das entsprechende Kommando hinterlegt. Vielleicht müssen Sie auch ins gulpfile.js schauen.

Haben Sie sich besonnen und den Build angestoßen, stürzt Gulp unerwartet mit einer C++-Exception ab, und Sie fangen an, auf Google nach der Ursache zu suchen. Sie stellen dann fest, dass es wohl daran liegt, dass Sie derzeit mit Node.js in Version 10 entwickeln, damals aber... Hm, war es Version 8 oder gar noch Version 6? Und schon laden Sie beide Versionen herunter und probieren herum. Schnell ist dann die erste Stunde investiert, ohne dass Sie produktiv gewesen wären. Dabei ist Zeit doch Geld...

Was ist schiefgelaufen? Sie haben nicht beachtet, dass Sie es in Ihrem Projekt nicht nur mit internen Abhängigkeiten zu tun haben, die Sie fein säuberlich in der package.json aufführen, sondern auch mit externen Abhängigkeiten, etwa der eingesetzten Node.js-Version.

Externe Abhängigkeiten handhaben

Natürlich gibt es Lösungen, um mehrere Versionen von Node.js gleichzeitig auf Ihrem Rechner vorzuhalten und zwischen diesen zu wechseln, etwa mit Tools wie n oder nvm, aber das ist gar nicht mein Punkt. Der Punkt ist, dass Sie daran denken müssen, jeweils auf die richtige Version umzustellen, wenn Sie zwischen Ihren Projekten wechseln.

Auf Ihrem Build-Server, etwa Jenkins oder Gitlab CI, können Sie für jedes Projekt eine individuelle Umgebung vorgeben. Projekt A baut dann mit Node.js in Version 10, während das ältere Projekt B mit Node.js 6 erstellt wird. Das ist eine tolle Sache, hilft Ihnen auf Ihrem Entwicklungsrechner aber nicht weiter. Die Idee ist jedoch die Richtige: Wir müssen die Build-Umgebung für das Projekt festlegen und einhalten, auch auf dem Entwicklungssystem.

Docker To The Rescue

Warum bauen wir die App nicht einfach von einem Docker-Container aus? Dank des Containers hätten wir feingranulare Kontrolle über die zu verwendende Node.js- und NPM-Version sowie das weitere Tooling, und all das könnten wir mittels eines Dockerfiles in unserem Projekt ablegen und zusammen mit dem Projekt versionieren.

Die Antwort ist ganz einfach: Das würde prima funktionieren, nur leider würde das dabei entstehende Image sehr groß -- schließlich sind alle Tools und das komplette node_modules-Verzeichnis Teil des Images, obwohl Sie diese nach dem erfolgreichen Build nicht mehr benötigen. Alleine das Verzeichnis node_modules einer Angular-App ist schon fast 500 MB groß. Zusammen mit Google Chrome für die Unit Tests und Node.js sind Sie somit bei rund 1 GB pro Image. Und Sie wissen ja: Uns reicht ein nginx-Image mit der Kopie des Verzeichnisses dist/<meine app>, das lediglich rund 100 MB groß wäre.

Damit ist unser Plan klar: Wir bauen die App trotzdem innerhalb eines Containers und erzeugen aus dem Ergebnis ein neues, minimales Image. Zu unserem Glück ist das ein Problem, das nicht nur uns beschäftigt, sodass Docker eine Lösung für genau diesen Anwendungsfall bietet: den sog. Multi-Stage Build.

Multi-Stage Builds

Multi-Stage Builds kaskadieren den Build mehrerer Images und kopieren dabei Daten vom Vorgänger in den Nachfolger. Lediglich das letzte Image ist dabei das Ergebnis, die Vorgänger spielen keine Rolle mehr (werden aber gecachet, um den nächsten Build zu beschleunigen). Letzten Endes können Sie sich das wie bei Prozessen und Pipes unter UNIX vorstellen: Die Ausgabe vom Vorgänger landet im Nachfolger.

In unserem Fall muss das erste Image die App bauen, während das zweite die erzeugte App aufnimmt. Daher muss das erste Image Node.js, NPM, Angular CLI und Google Chrome enthalten. Das zweite Image ist identisch mit dem, das wir in den bisherigen Teilen der Artikelserie entwickelt haben. Es bezieht die App aber aus dem ersten Image statt aus dem lokalen Verzeichnis dist.

Soviel zum Plan, nun setzen wir das Ganze um. Als erstes müssen wir unser .dockerignore bereinigen, denn nun legen wir sehr wohl Wert auf alle Dateien und Verzeichnisse, die wir brauchen, um unsere App zu erstellen. Andererseits benötigen wir jetzt das Verzeichnis dist nicht mehr, das zuvor noch essentiell für uns war, denn wir bauen die Anwendung ja nun nicht mehr lokal, sondern im Container.

.editorconfig
.git
.gitignore
.idea
README.md
coverage
dist
node_modules

Außerdem müssen wir die Datei src/karma.conf.js anpassen, damit Google Chrome im Headless Mode in einem Container unter Debian GNU/Linux funktioniert. Fügen Sie dazu im Abschnitt config.set({...}) folgendes hinzu:

customLaunchers: {
   ChromeHeadlessNoSandbox: {
       base: "ChromeHeadless",
       flags: ["--no-sandbox"],
   },
},

Hintergrund ist, dass wir das Sandboxing ausschalten müssen, damit die Tests ausgeführt werden. Da Sie selbst den Container unter Kontrolle haben, sollte dieses Risiko akzeptabel sein.

Als Nächstes müssen wir unser Dockerfile erweitern:

FROM node:10-buster as node

RUN npm install -g @angular/[email protected]

# install Google Chrome
RUN wget -q -O - https://dl-ssl.google.com/linux/linux_signing_key.pub | apt-key add - \
    && sh -c 'echo "deb [arch=amd64] http://dl.google.com/linux/chrome/deb/ stable main" >> /etc/apt/sources.list.d/google.list' \
    && apt-get update && apt-get install -yq google-chrome-stable

# now test and build the app
WORKDIR /usr/src/app
COPY . ./
RUN yarn install
# ChromeHeadless needs to be run with --no-sandbox
RUN ng test --watch=false --browsers=ChromeHeadlessNoSandbox && ng build --prod

# Stage 2
FROM nginx

LABEL maintainer="Ihr Name <[email protected]>"

COPY nginx/default.conf /etc/nginx/conf.d
COPY --from=node /usr/src/app/dist/dockerized-app /usr/share/nginx/html

Eine kurze Erklärung dazu: Dieses Dockerfile basiert auf einem Image mit Node.js 10 und legt darin @angular/cli in Version 7.3.5 (passend zur Version in der package.json-Datei) und den Chrome-Browser ab. Anschließend baut es die App, genau so, wie wir es bisher von Hand getan haben -- na, nicht ganz, wir lassen nun die Tests laufen, denn das gehört doch sicher auch bei Ihnen dazu, nicht wahr? Ansonsten kommentieren Sie die Zeile mit RUN ng test ... einfach aus. Im zweiten Schritt (gekennzeichnet durch den Kommentar "Stage 2") kopiert es die fertiggestellte App aus dem ersten Image in das zweite.

Die entscheidenden Stellen sind FROM node:10-buster as node, die die Bezeichnung node für das erste Image vorgibt, und COPY --from=node ..., die unter Verwendung dieser Bezeichnung aus dem ersten in das zweite Image kopiert.

Jetzt entfernen wir noch den Build der App aus dem Skript dockerize.sh, da sich das Dockerfile ab jetzt um diesen Schritt kümmert:

#!/bin/bash
docker build -t dockerized-app .

Das Image bauen

Um das Image mit der App zu bauen, gehen wir genauso vor wie bisher: Wir führen erst dockerize.sh aus und dann redeploy.sh. Hier ein Beispiellauf:

$ ./dockerize.sh
Sending build context to Docker daemon  370.7kB
Step 1/11 : FROM node:10-buster as node
 ---> d71f0dc8e93b
Step 2/11 : RUN npm install -g @angular/[email protected]7.3.5
 ---> Running in 0ddecfd06f16
+ @angular/[email protected]7.3.5
added 289 packages from 181 contributors in 9.717s
Removing intermediate container 0ddecfd06f16
 ---> fd9b8afe37ec
Step 3/11 : RUN wget -q -O - https://dl-ssl.google.com/linux/linux_signing_key.pub | apt-key add -     && sh -c 'echo "deb [arch=amd64] http://dl.google.com/linux/chrome/deb/ stable main" >> /etc/apt/sources.list.d/google.list'     && apt-get update && apt-get install -yq google-chrome-stable
 ---> Running in f85a552bb159
Get:1 http://deb.debian.org/debian buster InRelease [122 kB]
...
Fetched 8230 kB in 2s (5416 kB/s)
Reading package lists...
Reading package lists...
Building dependency tree...
Reading state information...
The following additional packages will be installed:
  adwaita-icon-theme at-spi2-core dbus dbus-user-session
  ...
Setting up google-chrome-stable (78.0.3904.97-1) ...
Removing intermediate container f85a552bb159
 ---> 92e5bb2bbaed
Step 4/11 : WORKDIR /usr/src/app
 ---> Running in 86a7a6c9204f
Removing intermediate container 86a7a6c9204f
 ---> 0c06bb302e39
Step 5/11 : COPY . ./
 ---> 9d6b58feea14
Step 6/11 : RUN yarn
 ---> Running in a35c44a28667
yarn install v1.19.1
[1/4] Resolving packages...
[2/4] Fetching packages...
[3/4] Linking dependencies...
[4/4] Building fresh packages...
Done in 17.33s.
Removing intermediate container a35c44a28667
 ---> 5959d3240af1
Step 7/11 : RUN ng test --watch=false --browsers=ChromeHeadlessNoSandbox && ng build --prod
 ---> Running in e8e73909da63
11 11 2019 17:51:51.637:INFO [karma-server]: Karma v4.0.1 server started at http://0.0.0.0:9876/
11 11 2019 17:51:51.638:INFO [launcher]: Launching browsers ChromeHeadlessNoSandbox with concurrency unlimited
11 11 2019 17:51:51.640:INFO [launcher]: Starting browser ChromeHeadless
11 11 2019 17:51:53.962:INFO [HeadlessChrome 78.0.3904 (Linux 0.0.0)]: Connected on socket x67ZoJs6ERhBn45OAAAA with id 98052412
TOTAL: 9 SUCCESS
TOTAL: 9 SUCCESS

Date: 2019-11-11T17:52:15.005Z
Hash: 046f0c97454b9144a096
Time: 17593ms
chunk {0} runtime.a5dd35324ddfd942bef1.js (runtime) 1.41 kB [entry] [rendered]
chunk {1} es2015-polyfills.4a4cfea0ce682043f4e9.js (es2015-polyfills) 56.4 kB [initial] [rendered]
chunk {2} main.0c51b538c84777d5bf5e.js (main) 262 kB [initial] [rendered]
chunk {3} polyfills.9f3702a215d30daac9b6.js (polyfills) 41 kB [initial] [rendered]
chunk {4} styles.3ff695c00d717f2d2a11.css (styles) 0 bytes [initial] [rendered]
Removing intermediate container e8e73909da63
 ---> 3a3d2d063b02
Step 8/11 : FROM nginx
 ---> 53f3fd8007f7
Step 9/11 : LABEL maintainer="Michael Kaaden <[email protected]>"
 ---> Using cache
 ---> 974a15c23b4f
Step 10/11 : COPY nginx/default.conf /etc/nginx/conf.d
 ---> Using cache
 ---> cb36b6c88fbc
Step 11/11 : COPY --from=node /usr/src/app/dist/dockerized-app /usr/share/nginx/html
 ---> Using cache
 ---> 005ab4ca56a3
Successfully built 005ab4ca56a3
Successfully tagged dockerized-app-multistage:latest

Wenn Sie das Meldungspaar "Successfully built .../Successfully tagged ..." sehen, haben Sie es geschafft: Der Multi-Stage Build hat geklappt. Führen Sie Ihren Container nun aus:

$ ./redeploy.sh
Removing network dockerized-app_default
WARNING: Network dockerized-app_default not found.
Creating network "dockerized-app_default" with the default driver
Creating dockerized-app_web_1 ... done

Der so erzeugte Container sollte nun genauso funktionieren wie der aus dem vorigen Teil dieser Artikelserie. Die Verbesserung besteht jetzt darin, dass Sie alles, was Sie zum Build benötigen, in Ihrem Projekt beschreiben und das in Ihrer Quellcodeverwaltung mit versionieren können. Sie haben dadurch keinen Performance-Nachteil, da Docker den ersten Stage cachet – lediglich der zweite Stage muss jedes Mal erstellt werden, wenn Sie etwas an Ihrer App ändern.

Vergleich

Hier ein Größenvergleich der Images, die wir in jedem der drei Teile der Artikelserie erstellt haben.

| REPOSITORY                | TAG    | IMAGE ID     | CREATED            | SIZE  |
| ------------------------- | ------ | ------------ | ------------------ | ----- |
| dockerized-app-simple     | latest | a90b35651f39 | 18 minutes ago     | 110MB |
| dockerized-app-env        | latest | 709da311ce4b | 17 minutes ago     | 110MB |
| dockerized-app-multistage | latest | 3ecfc4231dd5 | About a minute ago | 110MB |

Wie Sie sehen, gibt es keinen spürbaren Unterschied zwischen den Image-Größen. Das ist natürlich kein Zufall: In den ersten beiden Teilen haben wir die App von Hand gebaut und das Verzeichnis dist/dockerized-app in das Image kopiert. In diesem Teil der Artikelserie haben wir den Build in ein Image im ersten Stage verlagert und von dort aus kopiert. Es war also zu erwarten, dass sich die Größe des finalen Images nicht ändert.

Spaßeshalber habe ich die Größe des ersten Stage des Multi-Stage Builds gemessen:

| REPOSITORY | TAG    | IMAGE ID     | CREATED        | SIZE  |
| ---------- | ------ | ------------ | -------------- | ----- |
| stage1     | latest | 19e76e412adc | 25 seconds ago | 989MB |

1 GB ist eine stolze Größe. Das Image existiert allerdings nur auf dem Buildsystem und nicht auf dem Produktivserver. Würden wir unsere App mit diesem Image betreiben, hätten wir den zehnfachen Speicherbedarf...

Grenzen der vorgestellten Lösung

Mit der vorgestellten Lösung können wir unsere App jederzeit mit den von uns festgelegten NPM-Paketen bauen, zumindest unter der Annahme, dass diese Pakete auch in Zukunft noch verfügbar sind. Die NPM Registry vergisst nichts, insofern bin ich da äußerst zuversichtlich.

Mittelfristig verändern sich die Images natürlich, die die Basis der Lösung darstellen. Node 10 wird in neueren Versionen vorliegen, das Debian 10-Image wird ebenfalls mit Updates versorgt. Unsere App wird davon weitestgehend unbeeinflusst bleiben. Allerdings benötigen einige NPM-Pakete wie node-gyp beispielsweise sowohl den installierten Python-Interpreter als auch den C++-Compiler. Das kann im Einzelfall zu der einen oder anderen Änderungen in der von ng build erzeugten App führen, was meist nicht auffallen wird, weil Sie sowieso das eine oder andere Sicherheitsupdate für von Ihnen verwendete NPM-Pakete einpflegen müssen.

Betrachten wir einen Zeitraum von zehn Jahren, sieht die Situation schon weniger rosig aus, weil es dann evtl. gar kein Node 10-Image mehr gibt...

Damit sollte klar sein, dass die vorgestellte Lösung keine Art von Langzeit-Archivierung der Build-Umgebung bieten kann, weil kein Langzeit-Archiv der Abhängigkeiten wie der Basis-Images existiert. Falls dennoch genau das für Ihren Auftraggeber wichtig sein sollte, dann hat er das Problem typischerweise schon selbst für seine eigene Software im Griff, so dass Sie auf dessen Problemlösung zur Archivierung der Build-Umgebung zurückgreifen können (und sollten). Falls Sie sich selber darum kümmern müssten, müssen Sie letztendlich auf irgendeine Art für die Langzeitarchivierung der Abhängigkeiten aus obigem Dockerfile sorgen.

Sie sehen, zumindest kurz- und mittelfristig brauchen Sie sich keine ernsthaften Gedanken um Ihre Build-Umgebung zu machen. Langfristig sieht das allerdings anders aus.

Fazit

Welche Methode sollten Sie also für Ihren Anwendungsfall wählen? Die Entscheidung ist meiner Meinung nach anhand der genannten Kriterien einfach zu treffen: Wenn Sie mit den environment.ts-Dateien auskommen, bleiben Sie bei der Lösung aus Teil I, um Ihre App in einen Container zu packen. Möchten Sie die App in mehreren Umgebungen betreiben und deswegen die Konfiguration ändern, landen Sie automatisch bei der Lösung aus Teil II. Und wenn es Ihnen wichtig ist, Ihre Build-Umgebung im Griff zu haben, verwenden Sie den Multi-Stage Build aus diesem Artikel, die Sie mit jeder der beiden zuvor genannten Methoden kombinieren können.

Wie auch immer Sie sich entscheiden: Sie werden schnell merken, wie angenehm es ist, Ihre App mit Docker zum Laufen zu bringen.

Und falls Sie sich doch einmal dafür entscheiden, einen Build Server wie Jenkins zu installieren und passend einzurichten, beschränkt sich Ihre finale Tätigkeit in jedem Projekt auf ein git push, woraufhin der Build Server die neueste Version Ihres Projekts auscheckt, den Multi-Stage Build auslöst und das Ergebnis auf dem Zielsystem zum Laufen bringt.

Somit können Sie sich in Zukunft auf Ihre Kernkompetenzen beschränken und das tun, was Ihnen Spaß macht. Software entwickeln. Um den Build und das Deployment kümmern sich Ihre Automatismen, die dank Docker unkompliziert einzurichten sind.

Rückblick

Die Artikelserie besteht aus den folgenden Teilen:

  1. Angular-Apps und Docker: Einleitung
  2. Angular-App über Docker bereitstellen
  3. Build Once, Run Anywhere oder: Konfiguration über Docker verwalten
  4. Multi-Stage Builds oder: Immer die Build-Umgebung dabei haben (der aktuelle Artikel)



Titelbild: Bild von chuttersnap auf Unsplash, bearbeitet

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Michael Kaaden

Über den Autor

Michael Kaaden ist als Software-Architekt und Manager für ein mittelständisches Unternehmen in Nürnberg tätig. Dort ist er für die technische Seite einer Cloud-Produktline verantwortlich. In dieser Eigenschaft kümmert er sich trotz seiner grundsätzlichen Affinität zu Angular nicht nur um Frontends, sondern neben der Gesamtarchitektur unter anderem auch um APIs, Backends, Datenbanken sowie Software-Entwicklungs- und Build-Prozesse. Wenn er in seiner Freizeit nicht gerade mit seiner Familie unterwegs ist, Full-Stack Developer spielt oder seine Nase in neue Technologien steckt, versucht er, seinen Laufstil zu verbessern und endlich den für ihn perfekten Fotoapparat zu finden.