Flakes

Flakesとは、"Nix言語の"依存関係管理システムです[1]。Rustに対するCargo、Node.jsに対するnpm、Pythonに対するpip、Nix言語に対するFlakesというように、Nix言語の依存関係管理を行うのがFlakesです。
そもそもNixが依存関係管理システムなのに、また別の依存関係管理システム？と困惑しているかもしれませんが、前章の内容を思い出してください。NixにおけるパッケージリポジトリとはNix言語のライブラリなのでした。つまり、Nixでパッケージリポジトリを利用するというのは、Nix言語の外部ライブラリを依存関係として導入するということなのです。
Nixによるパッケージビルドの流れを見ると、Nixは他のビルドシステムよりも段階が1つ多いことが分かります。大抵のビルシステムは人間がビルドレシピを書き、それを元にビルドを実行しますが、Nixの場合は人間がNix言語を書き、厳密なビルドレシピ（Derivation）を生成し、それを元にビルドします。
Nixで依存関係の解決が行われるタイミングは2回あります。1回目はNix式を評価する時で、FlakesがNix言語の依存関係を解決します。2回目はDerivationのrealise時で、NixストアがDerivationの依存関係を解決します。


Flakesによるビルドの流れ
つまり、FlakesはNixの高レベル表現世界の依存関係管理システムです。
 FlakeFlakesではNix言語のパッケージに相当するものをFlakeと呼びます。ちょうどRustのパッケージがCrateと呼ばれるのと同じです。
FlakesはGitとの併用を前提としており、Flakeの実体はflake.nixという特別なファイルをルートに配置したGitリポジトリです。

flake.nixはnpmのpackage.jsonやCargoのCargo.tomlのような役割を果たします。拡張子を見て分かる通り、flake.nix自体もNix言語で記述されています。また、flake.nixはNix言語のエントリポイントとして振る舞います。
flake.nixの構造は非常にシンプルで、プロジェクトが依存するFlake（inputs）とプロジェクトが出力するNix式（outputs）が記述されています。

Flakeを評価したとき、Nixはinputsに指定されているFlakeを取得し、それらのoutputsを現在評価しているFlakeのoutputsの引数に渡します。依存解決もシンプルです。
 依存関係の固定モダンなパッケージマネージャがlockファイルによって依存関係の固定するように、Flakesもflake.lockファイルによるinputsのバージョン固定を行います。FlakesはGitのコミットハッシュによって依存関係を固定します。つまり、Flake（≒パッケージリポジトリ）のバージョンがコミットレベルで同一になります。同じNix式は同じDerivationを出力し、同じDerivationは同じパッケージを出力するため、Nixの再現性はもはや完全といっていいでしょう。
 利用可能なファイルの制限FlakesがGitを利用するのは依存関係の固定だけではありません。

Nix言語はファイルの読み取りができます。主にソースコードやビルドスクリプトの取得に用いられるのですが、読み取り対象のファイルパスを無制限に指定できるため、場合によってはファイルがあったりなかったりするという問題が発生する可能性があります。Flakesは、FlakeのGitリポジトリの管理下にないファイルへのアクセスを制限します。例えばリポジトリ外のファイルや.gitignoreで除外されているファイル、ステージングされていないファイルにアクセスしようとするとNix言語はエラーを起こします。
FlakesはNix言語の純粋性を高める機能でもあります。
 inputsinputsにはFlakeのURLまたはファイルパスを指定します。
{
  inputs = {
    # GitHubリポジトリを指定
    example-github.url = "github:オーナー/リポジトリ/ブランチ";

    # Flakeのアーカイブを指定
    example-archive.url = "https://example.com/example.tar.gz";

    # Flakeのローカルディレクトリを指定
    example-directory.url = "path:/path/to/flake";
  };
}
基本的にGitHubリポジトリを指定することが多いですが、URLでアーカイブを指定することもできます。GitHubリポジトリを指定する場合はflake.lockがGitを利用して勝手にバージョン固定を行ってくれますが、アーカイブを指定する場合はURLに対してコンテンツが不変でなければいけません。
Nix専門の企業Determinate Systemsは、FlakeHubというFlake共有プラットフォームを提供しています。こちらはアーカイブでFlakeを提供しています。
https://flakehub.com
 outputs[2]outputsは関数になっており、Flakeの評価時にinputsに指定したFlakeのoutputsが引数に渡されます。outputsはAttribute Setを返します。
実は、outputsで返せるのはパッケージだけではありません。outputsには以下のようなものを指定できます。
{
  inputs = {
    # 依存するFlake
  };

  outputs = inputs: {
    packages."<システムアーキテクチャ>"."<パッケージ名>" = derivation;
    devShells."<システムアーキテクチャ>"."<devShellの名前>" = derivation;
    formatter."<システムアーキテクチャ>"."<パッケージの名前>" = derivation;
    templates."<テンプレートの名前>" = {
      path = "<ストアパス>";
      description = "テンプレートの説明";
    };

    # ...その他多数
  };
}
上記以外にも複数のattributeを指定することができ、またサードパーティのプログラムによって拡張することができます。例えばdeploy-rsというNixOSのデプロイツールは、Flakeのoutputsにdeployという名前のattributeが存在することを期待しますが、これはdeploy-rs独自のものです。

Flakeのoutputsと言ってもただのNix言語に過ぎないので、それを評価するプログラム次第で様々な使い方ができます。
 packagespackagesにはその名の通りパッケージのDerivationを指定します。ここに指定したDerivationはnix buildでビルド、nix runでビルド & 実行することができます。
 devShellsdevShellは宣言的な開発環境構築機能です。nix developコマンドで利用することができます。
nix developは、FlakeのoutputsのdevShellsにmkShell関数の返り値が来ることを期待します。mkShellはNixpkgsが提供する特別な関数です。
mkShell {
  packages = [
    # 利用したいパッケージ
  ];
  shellHook = ''
    # devShell起動時に実行したいシェルスクリプト
  '';
}
mkShellが返すDerivationをrealiseすると、シェルスクリプトが記述されたテキストがビルドされます。このシェルスクリプトはmkShellの引数に指定したpackagesをPATHに追加し、shellHookに記述したスクリプトをshellHook環境変数に代入します。
対して、nix developは以下の順序で動作します。
Bashを起動
outputsのdevShellを読み取り、mkShellが返すDerivationをrealise
ビルドされたスクリプトを実行
shellHook環境変数の中身を実行
（mkShellで宣言したパッケージが導入された開発環境が完成！）
devShellでインストールしたパッケージはdevShell内でのみ有効化され、グローバルにはインストールされません。Pythonのvenvに近い機能ですが、devShellはあらゆるプログラミング言語で利用することができます。
devShellのいいところは、Dockerと違って仮想環境を使う必要がない上、既にホストシステムにインストールされているパッケージをそのまま利用できることです。これは非純粋な状態ですが、開発環境では純粋性よりも利便性を優先し、ビルドは純粋な環境で行うといった使い分けができます。
 formatterNix言語のフォーマッターのDerivationを指定します。大抵の場合、nixfmt, alejandra, nixpkgs-fmtが指定されます。nix fmtで実行できます。
 templatestemplatesはディレクトリのテンプレートを定義できます。nix flake init --templateで利用することができます。

脚注
8.5.15. nix flake - Nix Reference Manual ↩︎
Flakes - NixOS Wiki ↩︎