NixOS 与 Flakes

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Nix 语言入门 ​

Nix 语言是 Nix 包管理器的基础，要想玩得转 NixOS 与 Nix Flakes，享受到它们带来的诸多好处，就必须学会这门语言。

Nix 是一门比较简单的函数式语言，在已有一定编程基础的情况下，过一遍这些语法用时应该在 2 个小时以内。

本文快速介绍了一遍 Nix 的常用语法，并假设你具有一定编程基础（也就是说写得不会很细）。

如果你英文尚可，也可以直接使用如下资料来学习 Nix 语言：

  1. Nix Language Basics - nix.dev: 这篇教程提供了 Nix 语言的全面概述，很适合新手阅读。
  2. A tour of Nix: 一份在线交互式教程，重点介绍了 Nix 的编程语言构造，以及 Nix 如何用于算法解决问题。
  3. Nix Language - Nix Reference Manual: Nix 语言的官方文档，是最权威的资料，介绍了 Nix 语言的完整语法。

先把语法过一遍，有个大概的印象就行，后面需要用到时再根据右侧目录回来复习。

注：如下内容有选择地介绍了 Nix 语言的常用语法，仅适合新手快速入门，请阅读官方文档 Nix Language - Nix Reference Manual 了解 Nix 语言的完整语法！

基础数据类型一览 ​

下面通过一个 attribute set （这类似 json 或者其他语言中的 map/dict）来简要说明所有基础数据类型：

nix
{
  string = "hello";
  integer = 1;
  float = 3.141;
  bool = true;
  null = null;
  list = [ 1 "two" false ];
  attribute-set = {
    a = "hello";
    b = 2;
    c = 2.718;
    d = false;
  }; # comments are supported
}

以及一些基础操作符（普通的算术运算、布尔运算就跳过不介绍了）：

nix
# 列表拼接
[ 1 2 3 ] ++ [ 4 5 6 ] # [ 1 2 3 4 5 6 ]

# 将 // 后面的 attribut set 中的内容，全部更新到 // 前面的 attribute set 中
{ a = 1; b = 2; } // { b = 3; c = 4; } # 结果为 { a = 1; b = 3; c = 4; }

# 逻辑隐含，等同于 !b1 || b2.
bool -> bool

let ... in ... ​

Nix 的 let ... in ... 语法被称作「let 表达式」或者「let 绑定」，它用于创建临时使用的局部变量：

nix
let
  a = 1;
in
a + a  # 结果是 2

let 表达式中的变量只能在 in 之后的表达式中使用，理解成临时变量就行。

if...then...else... ​

if...then...else... 用于条件判断，它是一个有返回值的表达式，语法如下：

nix
if 3 > 4 then "yes" else "no" # 结果为 "no"

也可以与 let...in... 一起使用：

nix
let
  x = 3;
in
  if x > 4 then "yes" else "no" # 结果为 "no"

attribute set 说明 ​

花括号 {} 用于创建 attribute set，也就是 key-value 对的集合，类似于 JSON 中的对象。

attribute set 默认不支持递归引用，如下内容会报错：

nix
{
  a = 1;
  b = a + 1; # error: undefined variable 'a'
}

不过 Nix 提供了 rec 关键字（recursive attribute set），可用于创建递归引用的 attribute set：

nix
rec {
  a = 1;
  b = a + 1; # ok
}

在递归引用的情况下，Nix 会按照声明的顺序进行求值，所以如果 a 在 b 之后声明，那么 b 会报错。

可以使用 . 操作符来访问 attribute set 的成员：

nix
let
  a = {
    b = {
      c = 1;
    };
  };
in
a.b.c # 结果是 1

. 操作符也可直接用于赋值：

nix
{ a.b.c = 1; }

此外 attribute set 还支持一个 has attribute 操作符，它可用于检测 attribute set 中是否包含某个属性，返回 bool 值：

nix
let
  a = {
    b = {
      c = 1;
    };
  };
in
a?b  # 结果是 true，因为 a.b 这个属性确实存在

has attribute 操作符在 nixpkgs 库中常被用于检测处理 args?system 等参数，以 (args?system) 或 (! args?system) 的形式作为函数参数使用（叹号表示对 bool 值取反，是常见 bool 值运算符）。

with 语句 ​

with 语句的语法如下：

nix
with <attribute-set> ; <expression>

with 语句会将 <attribute-set> 中的所有成员添加到当前作用域中，这样在 <expression> 中就可以直接使用 <attribute-set> 中的成员了，简化 attribute set 的访问语法，比如：

nix
let
  a = {
    x = 1;
    y = 2;
    z = 3;
  };
in
with a; [ x y z ]  # 结果是 [ 1 2 3 ], 等价于 [ a.x a.y a.z ]

继承 inherit ... ​

inherit 语句用于从 attribute set 中继承成员，同样是一个简化代码的语法糖，比如：

nix
let
  x = 1;
  y = 2;
in
{
  inherit x y;
}  # 结果是 { x = 1; y = 2; }

inherit 还能直接从某个 attribute set 中继承成员，语法为 inherit (<attribute-set>) <member-name>;，比如：

nix
let
  a = {
    x = 1;
    y = 2;
    z = 3;
  };
in
{
  inherit (a) x y;
}  # 结果是 { x = 1; y = 2; }

${ ... } 字符串插值 ​

${ ... } 用于字符串插值，懂点编程的应该都很容易理解这个，比如：

nix
let
  a = "1";
in
"the value of a is ${a}"  # 结果是 "the value of a is 1"

文件系统路径 ​

Nix 中不带引号的字符串会被解析为文件系统路径，路径的语法与 Unix 系统相同。

搜索路径 ​

请不要使用这个功能，它会导致不可预期的行为。

Nix 会在看到 <nixpkgs> 这类三角括号语法时，会在 NIX_PATH 环境变量中指定的路径中搜索该路径。

因为环境变量 NIX_PATH 是可变更的值，所以这个功能是不纯的，会导致不可预期的行为。

在这里做个介绍，只是为了让你在看到别人使用类似的语法时不至于抓瞎。

多行字符串 ​

多行字符串的语法为 ''，比如：

nix
''
  this is a
  multi-line
  string
''

多行字符串的转义 ​

在单行字符串中，Nix 的转义语法与许多其他语言相同，" \ ${ 以及其他 \n \t 等特殊字符，都可直接使用 \ 进行转义，比如：

nix
"this is a \"string\" \\"  # 结果是: this is a "string" \

但在多行字符串中，情况会有点特殊。Nix 规定在多行字符串中需要使用两个单引号 '' 来转义。

比如如下表示输出原始字符 ${a}，而不是字符串插值：

nix
let
  a = "1";
in
''the value of a is:
  ''${a}
''  # 结果是 "the value of a is ${a}"

其他 \n \t 等特殊字符的转义也类似，必须使用两个单引号来转义，如

nix
''
  this is a
  multi-line
  string
  ''\n
''

如果我们希望在字符串中使用原始字符 ''，则需要再为它添加一个 '，比如：

nix
let
  a = "1";
in
''the value of a is:
  '''${a}'''
''  # 结果是 "the value of a is ''1''"

函数 ​

函数的声明语法为：

nix
<arg1>:
  <body>

举几个常见的例子：

nix
# 单参数函数
a: a + a

# 嵌套函数
a: b: a + b

# 双参数函数
{ a, b }: a + b

# 双参数函数，带默认值。问号后面的是参数的默认值
{ a ? 1, b ? 2 }: a + b

# 带有命名 attribute set 作为参数的函数，并且使用 ... 收集其他可选参数
# 命名 args 与 ... 可选参数通常被一起作为函数的参数定义使用
args@{ a, b, ... }: a + b + args.c
# 如下内容等价于上面的内容,
{ a, b, ... }@args: a + b + args.c

# 但是要注意命名参数仅绑定了输入的 attribute set，默认参数不在其中，举例
let
  f = { a ? 1, b ? 2, ... }@args: args;
in
  f {}  # 结果是 {}，说明默认参数不在 args 中

# 函数的调用方式就是把参数放在后面，比如下面的 2 就是前面这个函数的参数
a: a + a 2  # 结果是 4

# 还可以给函数命名，不过必须使用 let 表达式
let
  f = a: a + a;
in
  f 2  # 结果是 4

内置函数 ​

Nix 内置了一些函数，可通过 builtins.<function-name> 来调用，比如：

nix
builtins.add 1 2  # 结果是 3

详细的内置函数列表参见 Built-in Functions - Nix Reference Mannual

import 表达式 ​

import 表达式以其他 Nix 文件的路径作为参数，返回该 Nix 文件的执行结果。

import 的参数如果为文件夹路径，那么会返回该文件夹下的 default.nix 文件的执行结果。

举个例子，首先创建一个 file.nix 文件：

shell
$ echo "x: x + 1" > file.nix

然后使用 import 执行它：

nix
import ./file.nix 1  # 结果是 2

pkgs.lib 函数包 ​

除了 builtins 之外，Nix 的 nixpkgs 仓库还提供了一个名为 lib 的 attribute set，它包含了一些常用的函数，它通常被以如下的形式被使用：

nix
let
  pkgs = import <nixpkgs> {};
in
pkgs.lib.strings.toUpper "search paths considered harmful"  # 结果是 "SEARCH PATHS CONSIDERED HARMFUL"

可以通过 Nixpkgs Library Functions - Nixpkgs Manual 查看 lib 函数包的详细内容。

不纯（Impurities） ​

Nix 语言本身是纯函数式的，是纯的，「纯」是指它就跟数学中的函数一样，同样的输入永远得到同样的输出。

Nix 有两种构建输入，一种是从文件系统路径等输入源中读取文件，另一种是将其他函数作为输入。

Nix 唯一的不纯之处在这里：从文件系统路径或者其他输入源中读取文件作为构建任务的输入，这些输入源参数可能没变化，但是文件内容或数据源的返回内容可能会变化，这就会导致输入相同，Nix 函数的输出却可能不同——函数变得不纯了。

Nix 中的搜索路径与 builtins.currentSystem 也是不纯的，但是这两个功能都不建议使用，所以这里略过了。

Fetchers ​

构建输入除了直接来自文件系统路径之外，还可以通过 Fetchers 来获取，Fetcher 是一种特殊的函数，它的输入是一个 attribute set，输出是 Nix Store 中的一个系统路径。

Nix 提供了四个内置的 Fetcher，分别是：

  • builtins.fetchurl：从 url 中下载文件
  • builtins.fetchTarball：从 url 中下载 tarball 文件
  • builtins.fetchGit：从 git 仓库中下载文件
  • builtins.fetchClosure：从 Nix Store 中获取 Derivation

举例：

nix
builtins.fetchurl "https://github.com/NixOS/nix/archive/7c3ab5751568a0bc63430b33a5169c5e4784a0ff.tar.gz"
# result example => "/nix/store/7dhgs330clj36384akg86140fqkgh8zf-7c3ab5751568a0bc63430b33a5169c5e4784a0ff.tar.gz"

builtins.fetchTarball "https://github.com/NixOS/nix/archive/7c3ab5751568a0bc63430b33a5169c5e4784a0ff.tar.gz"
# result example(auto unzip the tarball) => "/nix/store/d59llm96vgis5fy231x6m7nrijs0ww36-source"

Derivations ​

官方 Nixpkgs 包仓库中的软件包已经能满足绝大部分用户的使用，在学习 NixOS 的前期不太需要深入了解 Derivation 的使用细节，有个印象就行。 本书会在后面 Nix 软件打包入门 中详细介绍相关内容，这里仅做简要介绍。

Derivation 描述了如何构建一个软件包，是一个软件包构建流程的 Nix 语言描述，它声明了构建时需要有哪些依赖项、需要什么构建工具链、要设置哪些环境变量、哪些构建参数、先干啥后干啥等等。

Derivation 的构建结果是一个 Store Object，其中包含了软件包的所有二进制程序、配置文件等等内容。 Store Object 的存放路径格式为 /nix/store/<hash>-<name>，其中 <hash> 是构建结果的 hash 值，<name> 是它的名字。路径 hash 值确保了每个构建结果都是唯一的，因此可以多版本共存，而且不会出现依赖冲突的问题。

/nix/store 是一个特殊的文件路径，它被称为 Store，存放所有的 Store Objects，这个路径被设置为只读，只有 Nix 本身才能修改这个路径下的内容，以保证系统的可复现性。

Derivation 实质上只是一个 attribute set，Nix 底层会使用内置函数 builtins.derivation 将这个 attribute set 构建为一个 Store Object。 我们实际编写 Derivation 时，通常使用的是 stdenv.mkDerivation，它是前述内置函数 builtins.derivation 的 Nix 语言 wrapper，屏蔽了底层的细节，简化了用法。

一个简单的 Derivation 如下，它声明了一个名为 hello 的应用程序（摘抄自 nixpkgs/pkgs/hello）：

nix
{ callPackage
, lib
, stdenv
, fetchurl
, nixos
, testers
, hello
}:

stdenv.mkDerivation (finalAttrs: {
  pname = "hello";
  version = "2.12.1";

  src = fetchurl {
    url = "mirror://gnu/hello/hello-${finalAttrs.version}.tar.gz";
    sha256 = "sha256-jZkUKv2SV28wsM18tCqNxoCZmLxdYH2Idh9RLibH2yA=";
  };

  doCheck = true;

  passthru.tests = {
    version = testers.testVersion { package = hello; };

    invariant-under-noXlibs =
      testers.testEqualDerivation
        "hello must not be rebuilt when environment.noXlibs is set."
        hello
        (nixos { environment.noXlibs = true; }).pkgs.hello;
  };

  passthru.tests.run = callPackage ./test.nix { hello = finalAttrs.finalPackage; };

  meta = with lib; {
    description = "A program that produces a familiar, friendly greeting";
    longDescription = ''
      GNU Hello is a program that prints "Hello, world!" when you run it.
      It is fully customizable.
    '';
    homepage = "https://www.gnu.org/software/hello/manual/";
    changelog = "https://git.savannah.gnu.org/cgit/hello.git/plain/NEWS?h=v${finalAttrs.version}";
    license = licenses.gpl3Plus;
    maintainers = [ maintainers.eelco ];
    platforms = platforms.all;
  };
})

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