## 使用 Flakes 来管理你的 NixOS


## 启用 NixOS 的 Flakes 支持 {#enable-nix-flakes}

与 NixOS 默认的配置方式相比，Nix Flakes 提供了更好的可复现性，同时它清晰的包结构定义原生支持了以其他 Git 仓库为依赖，便于代码分享，因此更建议使用 Nix Flakes 来管理系统配置。

但是目前 Nix Flakes 作为一个实验性的功能，仍未被默认启用。所以我们需要手动启用它，修改 `/etc/nixos/configuration.nix` 文件，在函数块中启用 flakes 与 nix-command 功能：

```nix
# Edit this configuration file to define what should be installed on
# your system.  Help is available in the configuration.nix(5) man page
# and in the NixOS manual (accessible by running ‘nixos-help’).
{ config, pkgs, ... }:

{
  imports =
    [ # Include the results of the hardware scan.
      ./hardware-configuration.nix
    ];

  # 省略掉前面的配置......

  # 启用 Nix Flakes 功能，以及配套的新 nix-command 命令行工具
  nix.settings.experimental-features = [ "nix-command" "flakes" ];

  environment.systemPackages = with pkgs; [
    git  # Nix Flakes 通过 git 命令从数据源拉取依赖，所以必须先安装好 git
    vim
    wget
    curl
  ];

  # 省略其他配置......
}
```

然后运行 `sudo nixos-rebuild switch` 应用修改后，即可使用 Nix Flakes 来管理系统配置。

额外还有个好处就是，现在你可以通过 `nix repl` 打开一个 nix 交互式环境，有兴趣的话，可以使用它复习测试一遍前面学过的所有 Nix 语法。

## 将系统配置切换到 flake.nix {#switch-to-flake-nix}

在启用了 Nix Flakes 特性后，`sudo nixos-rebuild switch` 命令会优先读取 `/etc/nixos/flake.nix` 文件，如果找不到再尝试使用 `/etc/nixos/configuration.nix`。

可以首先使用官方提供的模板来学习 flake 的编写，先查下有哪些模板：

```bash
nix flake show templates
```

其中有个 `templates#full` 模板展示了所有可能的用法，可以看看它的内容：

```bash
nix flake init -t templates#full
cat flake.nix
```

我们参照该模板创建文件 `/etc/nixos/flake.nix` 并编写好配置内容，后续系统的所有修改都将全部由 Nix Flakes 接管，示例内容如下：

```nix
{
  description = "Ryan's NixOS Flake";

  # 这是 flake.nix 的标准格式，inputs 是 flake 的依赖，outputs 是 flake 的输出
  # inputs 中的每一项依赖都会在被拉取、构建后，作为参数传递给 outputs 函数
  inputs = {
    # flake inputs 有很多种引用方式，应用最广泛的是 github:owner/name/reference，即 github 仓库地址 + branch/commit-id/tag

    # NixOS 官方软件源，这里使用 nixos-unstable 分支
    nixpkgs.url = "github:NixOS/nixpkgs/nixos-unstable";
    # home-manager，用于管理用户配置
    home-manager = {
      url = "github:nix-community/home-manager/release-22.11";
      # `follows` 是 inputs 中的继承语法
      # 这里使 sops-nix 的 `inputs.nixpkgs` 与当前 flake 的 `inputs.nixpkgs` 保持一致，
      # 避免依赖的 nixpkgs 版本不一致导致问题
      inputs.nixpkgs.follows = "nixpkgs";
    };
  };

  # outputs 即 flake 的所有输出，其中的 nixosConfigurations 即 NixOS 系统配置
  # 一个 flake 可以有很多用途，也可以有很多种不同的输出，nixosConfigurations 只是其中一种
  #
  # outputs 的参数都是 inputs 中定义的依赖项，可以通过它们的名称来引用。
  # 不过 self 是个例外，这个特殊参数指向 outputs 自身（自引用），以及 flake 根目录
  # 这里的 @ 语法将函数的参数 attribute set 取了个别名，方便在内部使用
  outputs = { self, nixpkgs, ... }@inputs: {
    # 名为 nixosConfigurations 的 outputs 会在执行 `sudo nixos-rebuild switch` 时被使用
    # 默认情况下上述命令会使用与主机 hostname 同名的 nixosConfigurations
    # 但是也可以通过 `--flake /path/to/flake/direcotry#nixos-test` 来指定
    # 在 flakes 配置文件夹中执行 `sudo nixos-rebuild switch --flake .#nixos-test` 即可部署此配置
    #   其中 `.` 表示使用当前文件夹的 Flakes 配置，`#` 后面的内容则是 nixosConfigurations 的名称
    nixosConfigurations = {
      # hostname 为 nixos-test 的主机会使用这个配置
      # 这里使用了 nixpkgs.lib.nixosSystem 函数来构建配置，后面的 attributes set 是它的参数
      # 在 nixos 系统上使用如下命令即可部署此配置：`nixos-rebuild switch --flake .#nixos-test`
      "nixos-test" = nixpkgs.lib.nixosSystem {
        system = "x86_64-linux";

        # Nix 模块系统可将配置模块化，提升配置的可维护性
        #
        # modules 中每个参数，都是一个 Nix Module，nixpkgs manual 中有半份介绍它的文档：
        #    <https://nixos.org/manual/nixpkgs/unstable/#module-system-introduction>
        # 说半份是因为它的文档不全，只有一些简单的介绍（Nix 文档现状...）
        # Nix Module 可以是一个 attribute set，也可以是一个返回 attribute set 的函数
        # 如果是函数，那么它的参数就是当前的 NixOS Module 的参数.
        # 根据 Nix Wiki 对 Nix modules 的描述，Nix modules 函数的参数可以有这几个：
        #
        #  lib:     nixpkgs 自带的函数库，提供了许多操作 Nix 表达式的实用函数
        #           详见 https://nixos.org/manual/nixpkgs/stable/#id-1.4
        #  config:  当前 flake 的所有 config 参数的集何
        #  options: 当前 flake 中所有 NixOS Modules 中定义的所有参数的集合
        #  pkgs:    一个包含所有 nixpkgs 包的集合
        #           入门阶段可以认为它的默认值为 `nixpkgs.legacyPackages."${system}"`
        #           可通过 `nixpkgs.pkgs` 这个 option 来自定义 pkgs 的值
        #  modulesPath: 默认 nixpkgs 的内置 Modules 文件夹路径，常用于从 nixpkgs 中导入一些额外的模块
        #               这个参数通常都用不到，我只在制作 iso 镜像时用到过
        #
        # 默认只能传上面这几个参数，如果需要传其他参数，必须使用 specialArgs，你可以取消注释如下这行来启用该参数
        # specialArgs = inputs  # 将 inputs 中的参数传入所有子模块
        modules = [
          # 导入之前我们使用的 configuration.nix，这样旧的配置文件仍然能生效
          # 注: /etc/nixos/configuration.nix 本身也是一个 Nix Module，因此可以直接在这里导入
          ./configuration.nix
        ];
      };
    };
  };
}
```

这里我们定义了一个名为 `nixos-test` 的系统，它的配置文件为 `./configuration.nix`，这个文件就是我们之前的配置文件，这样我们仍然可以沿用旧的配置。

现在执行 `sudo nixos-rebuild switch` 应用配置，系统应该没有任何变化，因为我们仅仅是切换到了 Nix Flakes，配置内容与之前还是一致的。

## 通过 Flakes 来管理系统软件 {#manage-system-software-with-flakes}

切换完毕后，我们就可以通过 Flakes 来管理系统了。管系统最常见的需求就是装软件，我们在前面已经见识过如何通过 `environment.systemPackages` 来安装 `pkgs` 中的包，这些包都来自官方的 nixpkgs 仓库。

现在我们学习下如何通过 Flakes 安装其他来源的软件包，这比直接安装 nixpkgs 要灵活很多，最显而易见的好处是你可以很方便地设定软件的版本。
以 [helix](https://github.com/helix-editor/helix) 编辑器为例，我们首先需要在 `flake.nix` 中添加 helix 这个 inputs 数据源：

```nix
{
  description = "NixOS configuration of Ryan Yin";

  # ......

  inputs = {
    # ......

    # helix editor, use tag 23.05
    helix.url = "github:helix-editor/helix/23.05";
  };

  outputs = inputs@{ self, nixpkgs, ... }: {
    nixosConfigurations = {
      nixos-test = nixpkgs.lib.nixosSystem {
        system = "x86_64-linux";

        # 将所有 inputs 参数设为所有子模块的特殊参数，这样就能在子模块中使用 helix 这个 inputs 了
        specialArgs = inputs;
        modules = [
          ./configuration.nix
        ];
      };
    };
  };
}
```

接下来在 `configuration.nix` 中就能引用这个 flake input 数据源了：

```nix
# Nix 会通过名称匹配，自动将 specialArgs 中的 helix 注入到此函数的第三个参数
{ config, pkgs, helix, ... }:

{
  # 省略掉前面的配置......

  environment.systemPackages = with pkgs; [
    git  # Nix Flakes 通过 git 命令从数据源拉取依赖，所以必须先安装好 git
    vim
    wget
    curl

    # 这里从 helix 这个 inputs 数据源安装了 helix 程序
    helix.packages."${pkgs.system}".helix
  ];

  # 省略其他配置......
}
```

改好后再 `sudo nixos-rebuild switch` 部署，就能安装好 helix 程序了，可直接在终端使用 `helix` 命令测试验证。

## 为 Flake 添加国内 cache 源 {#add-cache-source-for-flake}

Nix 为了加快包构建速度，提供了 <https://cache.nixos.org> 提前缓存构建结果提供给用户，但是在国内访问这个 cache 地址非常地慢，如果没有全局代理的话，基本上是无法使用的。
另外 Flakes 的数据源基本都是某个 Github 仓库，在国内从 Github 下载 Flakes 数据源也同样非常非常慢。

在旧的 NixOS 配置方式中，可以通过 `nix-channel` 命令添加国内的 cache 镜像源以提升下载速度，但是 Nix Flakes 会尽可能地避免使用任何系统级别的配置跟环境变量，以确保其构建结果不受环境的影响，因此在使用了 Flakes 后 `nix-channel` 命令就失效了。

为了自定义 cache 镜像源，我们必须在 `flake.nix` 中添加相关配置，这就是 `nixConfig` 参数，示例如下：

```nix
{
  description = "NixOS configuration of Ryan Yin";

  # 为了确保够纯，Flake 不依赖系统自身的 /etc/nix/nix.conf，而是在 flake.nix 中通过 nixConfig 设置
  # 但是为了确保安全性，flake 默认仅允许直接设置少数 nixConfig 参数，其他参数都需要在执行 nix 命令时指定 `--accept-flake-config`，否则会被忽略
  #     <https://nixos.org/manual/nix/stable/command-ref/conf-file.html>
  # 注意：即使添加了国内 cache 镜像，如果有些包国内镜像下载不到，它仍然会走国外。
  # 我的解法是使用 openwrt 旁路由 + openclash 加速下载。
  # 临时修改系统默认网关为我的旁路由 IP:
  #    sudo ip route add default via 192.168.5.201
  # 还原路由规则:
  #    sudo ip route del default via 192.168.5.201
  nixConfig = {
    experimental-features = [ "nix-command" "flakes" ];
    substituters = [
      # replace official cache with a mirror located in China
      "https://mirrors.bfsu.edu.cn/nix-channels/store"
      "https://cache.nixos.org/"
    ];

    # nix community's cache server
    extra-substituters = [
      "https://nix-community.cachix.org"
    ];
    extra-trusted-public-keys = [
      "nix-community.cachix.org-1:mB9FSh9qf2dCimDSUo8Zy7bkq5CX+/rkCWyvRCYg3Fs="
    ];
  };

  inputs = {
    # 省略若干配置...
  };

  outputs = {
    # 省略若干配置...
  };
}

```

改完后使用 `sudo nixos-rebuild switch` 应用配置即可生效，后续所有的包都会优先从国内镜像源查找缓存。

> 注：上述手段只能加速部分包的下载，许多 inputs 数据源仍然会从 Github 拉取，另外如果找不到缓存，会执行本地构建，这通常仍然需要从国外下载源码与构建依赖，因此仍然会很慢。为了完全解决速度问题，仍然建议使用旁路由等局域网全局代理方案。