5 分钟 CMake 使用指南-解决 C++ 打包问题！

最近我一直在用 C++ 处理一些编程挑战，其中管理 C++ 项目的一个重要方面就是依赖管理。

如今，我们在很多编程生态系统中享受着即时包管理器的便利：

● 在 Node.js/JavaScript 中使用 npm

● 在 Rust 中使用 cargo

● 在 Python 中使用 pip

CMake 是一个跨平台的构建系统生成器。跨平台这一点非常重要，因为 CMake 能够在一定程度上抽象出不同平台之间的差异。

例如在类 Unix 系统上，CMake 会生成 makefile 文件，然后用这些文件来构建项目。而在 Windows 系统中，CMake 会生成 Visual Studio 项目文件，随后用于构建项目。

需要注意的是，不同平台通常都有各自的编译和调试工具链：Unix 使用 gcc，macOS 使用clang 等等。

在 C++ 生态系统中，另一个重要方面是能同时处理可执行文件和库。

可执行文件可基于以下不同因素：

● 目标 CPU 架构

● 目标操作系统

● 其他因素

对于库来说，链接方式也有不同的选择（链接是指在代码中使用另一个代码库的功能，而无需了解其具体实现）：

● 静态链接

● 动态链接

我曾在一些内部原型项目中，需要调用底层操作系统 API 来执行某些任务，唯一可行的高效方法就是基于一些 C++ 库来进行构建。

1. 配置阶段

CMake 会读取所有的 CMakeLists.txt 文件，并创建一个中间结构来确定后续步骤（如列出源文件、收集要链接的库等）。

2. 生成阶段

基于配置阶段的中间输出，CMake 会生成特定平台的构建文件（如在 Unix 系统上生成 makefiles 等）。

3. 构建阶段

使用特定平台的工具（如 make 或 ninja）来构建可执行文件或库文件。

假设你有一个用于计算数字平方根的 C++ 源文件。

tutorial.cxx

// A simple program that computes the square root of a number#include <cmath>#include <cstdlib> // TODO 5: Remove this line#include <iostream>#include <string>
// TODO 11: Include TutorialConfig.h
int main(int argc, char* argv[]){  if (argc < 2) {    // TODO 12: Create a print statement using Tutorial_VERSION_MAJOR    //          and Tutorial_VERSION_MINOR    std::cout << "Usage: " << argv[0] << " number" << std::endl;    return 1;  }
  // convert input to double  // TODO 4: Replace atof(argv[1]) with std::stod(argv[1])  const double inputValue = atof(argv[1]);
  // calculate square root  const double outputValue = sqrt(inputValue);  std::cout << "The square root of " << inputValue << " is " << outputValue            << std::endl;  return 0;}

CMakeLists.txt

project(Tutorial)add_executable(tutorial tutorial.cxx)

上述两行是生成一个可执行文件所需的最少指令。理论上，我们还应该指定 CMake 的最低版本号，省略 CMake 会默认使用某个版本（暂时跳过这部分）。

严格来说，project 指令并非必需，但我们还是保留它。所以最重要的代码行是：

add_executable(tutorial tutorial.cxx)

这行代码指定了目标二进制文件 tutorial 以及源文件 tutorial.cxx。

以下是一组用于构建项目和测试二进制文件的命令，稍后会详细解释：

mkdir buildcd build/cmake ..ls -l # inspect generated build filescmake --build ../tutorial 10 # test the binary

从上面的步骤可以看到，整个构建过程大约涉及 5-6 个步骤。

首先，在 CMake 中，我们应该将构建相关的内容与源代码分开，所以先创建一个构建目录：

mkdir build

然后我们可以在构建目录中进行所有与构建相关的操作：

cd build

从这一步开始，我们将执行多个构建相关的任务。

先是生成配置文件：

cmake ..

在这一步中，CMake 会生成平台特定的配置文件。在我的 Ubuntu 系统中，我看到了生成的makefile，这些文件相当冗长，但目前我不需要担心它们。

接下来，我根据新生成的文件触发构建：

cmake --build .

这一步使用生成的构建文件，生成目标二进制文件 tutorial。

最后，我可以通过以下命令验证二进制文件是否如预期运行：

./tutorial 16

我得到了预期的答案，这说明构建过程运行正常！

CMake 通过 Config.h.in 提供了一种机制，允许你在 CMakeLists.txt 中指定变量，这些变量可以在你的 .cpp 文件中使用。

下面是一个示例，我们在 CMakeLists.txt 中定义了项目的版本号，并在程序中使用。

Config.h.in

在这个文件中，来自 CMakeLists.txt 的变量将以 @VAR_NAME@ 的形式出现。

#pragma once
#define PROJECT_VERSION_MAJOR @PROJECT_VERSION_MAJOR@#define PROJECT_VERSION_MINOR @PROJECT_VERSION_MINOR@#define AUTHOR_NAME "@AUTHOR_NAME@"

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)project(Tutorial)
# Define configuration variablesset(PROJECT_VERSION_MAJOR 1)set(PROJECT_VERSION_MINOR 0)set(AUTHOR_NAME "Jith")
# Configure the header fileconfigure_file(Config.h.in Config.h)
# Add the executableadd_executable(tutorial tutorial.cxx)
# Include the directory where the generated header file is locatedtarget_include_directories(tutorial PRIVATE "${CMAKE_BINARY_DIR}")

请注意，我们添加了 cmake_minimum_required 来指定所需的最低 CMake 版本，这是编写 CMakeLists.txt 文件时的一个良好习惯。

然后，我们使用多个 set() 语句来定义所需的变量名。接着，指定配置文件 Config.h.in，通过该文件来使用上述设置的变量。

最后，CMake 会在变量占位被填充后生成头文件，这些动态生成的头文件需要被包含到项目中。

在我们的示例中，Config.h 文件将被放置在 ${CMAKE_BINARY_DIR} 目录中，所以我们只需指定该路径即可。

你可能会对以下这一行的 PRIVATE 标签感到好奇：

target_include_directories(tutorial PRIVATE "${CMAKE_BINARY_DIR}")

在 CMake 中，有三个可见性修饰符：PRIVATE、PUBLIC、INTERFACE。

这些修饰符可以在命令中使用，例如：target_include_directories 和 target_link_libraries 等。

这些修饰符是在目标（Targets）的上下文中指定的。目标是 CMake 中的一种抽象概念，表示某种类型的输出：

● 可执行目标（通过 add_executable）生成二进制文件

● 库目标（通过 add_library）生成库文件

● 自定义目标（通过 add_custom_target）通过脚本等生成任意文件

所有上述的目标都会产生具体的文件或工件作为输出。库目标的一个特殊情况是接口目标（Interface Target）。接口目标的定义如下：

add_library(my_interface_lib INTERFACE)target_include_directories(my_interface_lib INTERFACE include/)

在这里，my_interface_lib 并不会立即生成任何文件。但在后续阶段，一些具体的目标可能会依赖于 my_interface_lib。这意味着，接口目标中指定的 include 目录也会被依赖。因此，INTERFACE 库可以看作是构建依赖关系树的一种便利机制。

理解了目标和依赖的概念之后，我们就回到可见性修饰符的概念。

PRIVATE 可见性

1target_include_directories(tutorial PRIVATE "${CMAKE_BINARY_DIR}")

PRIVATE 表示目标 tutorial 将使用指定的包含目录。但如果在后续阶段其他目标链接到 tutorial，包含目录将不会传递给那些依赖项。

PUBLIC 可见性

1target_include_directories(tutorial PUBLIC "${CMAKE_BINARY_DIR}")

使用 PUBLIC 修饰符意味着目标 tutorial 需要使用该包含目录，并且任何依赖于 tutorial 的其他目标也会继承这个包含目录。

INTERFACE 可见性

1target_include_directories(tutorial INTERFACE "${CMAKE_BINARY_DIR}")

INTERFACE 修饰符表示 tutorial 本身不需要该包含目录，但任何依赖于 tutorial 的其他目标会继承这个包含目录。

简单总结，可见性修饰符的工作原理如下：

● PRIVATE：源文件和依赖关系只传递给当前目标；

● PUBLIC：源文件和依赖关系传递给当前目标及其依赖的目标；

INTERFACE：源文件和依赖关系不传递给当前目标，但会传递给依赖于它的目标。

随着项目规模不断增长，通常需要模块化来组织项目并管理复杂性。

在 CMake 中，可以用子目录来指定独立的模块及其自定义的构建流程。我们可以拥有一个主 CMake 配置，它能触发多个库（子目录）的构建，最后将所有模块链接在一起。

这是一个经过简化后的示例。我们将创建一个名为 MathFunctions 的模块/库，它将构建为一个静态库（在 Unix 系统上生成 MathFunctions.a），最后再把它链接到我们的主程序中。

首先是源文件部分（代码较为简单）：

MathFunctions.h

#pragma once
namespace mathfunctions {double sqrt(double x);}

MathFunctions.cxx

#include "MathFunctions.h"#include "mysqrt.h"
namespace mathfunctions {double sqrt(double x){  return detail::mysqrt(x);}}

mysqrt.h

#pragma once
namespace mathfunctions {namespace detail {double mysqrt(double x);}}

mysqrt.cxx

#include "mysqrt.h"
#include <iostream>
namespace mathfunctions {namespace detail {// a hack square root calculation using simple operationsdouble mysqrt(double x){  if (x <= 0) {    return 0;  }
  double result = x;
  // do ten iterations  for (int i = 0; i < 10; ++i) {    if (result <= 0) {      result = 0.1;    }    double delta = x - (result * result);    result = result + 0.5 * delta / result;    std::cout << "Computing sqrt of " << x << " to be " << result << std::endl;  }  return result;}}}

以上这些代码片段，引入了一个名为 mathfunctions 的命名空间，其中包含了一个自定义的 sqrt 函数实现。这样我们就可以在项目中定义自己的平方根函数，而不会与其他版本的 sqrt 冲突。

接下来，如何将该文件夹构建为 Unix 二进制文件？我们需要为该模块/库创建一个自定义的 CMake 子配置：

MathFunctions/CMakeLists.txt

add_library(MathFunctions MathFunctions.cxx mysqrt.cxx)

通过这条简单的 add_library 指令，我们指定了需要编译的 .cxx 文件来生成库文件。

但这还不够，解决方案的核心在于如何将这个子目录或库链接到我们的主项目中：

tutorial.cxx（使用库/模块版本）

#include "Config.h"#include "MathFunctions.h"#include <cmath>#include <cstdlib> #include <iostream>#include <string>
int main(int argc, char* argv[]){  std::cout << "Project Version: " << PROJECT_VERSION_MAJOR << "." << PROJECT_VERSION_MINOR << std::endl;  std::cout << "Author: " << AUTHOR_NAME << std::endl;
  if (argc < 2) {    std::cout << "Usage: " << argv[0] << " number" << std::endl;    return 1;  }
  const double inputValue = atof(argv[1]);
  // use library function  const double outputValue = mathfunctions::sqrt(inputValue);  std::cout << "The square root of " << inputValue << " is " << outputValue            << std::endl;  return 0;}

在这个文件中，我们导入了 MathFunctions.h，并使用命名空间 mathfunctions 来调用自定义的 sqrt 函数。我们都知道 MathFunctions.h 位于子目录中，但可以直接引用它，就像它在根目录中似的，这是怎么做到的？答案在于修订后的主 CMake 配置文件中：

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)project(Tutorial)
# Define configuration variablesset(PROJECT_VERSION_MAJOR 1)set(PROJECT_VERSION_MINOR 0)set(AUTHOR_NAME "Jith")
# Configure the header fileconfigure_file(Config.h.in Config.h)
add_subdirectory(MathFunctions)
add_executable(tutorial tutorial.cxx)

target_include_directories(tutorial PUBLIC "${PROJECT_BINARY_DIR}" "${PROJECT_SOURCE_DIR}/MathFunctions")
target_link_libraries(tutorial PUBLIC MathFunctions)

这里有几条新命令：

● add_subdirectory 指定了一个子目录构建，CMake 将负责处理该子目录中的构建任务。

● target_include_directories 告诉 CMake MathFunctions 文件夹的路径，这样我们可以在 tutorial.cxx 中直接引用 MathFunctions.h。

● target_link_libraries 将 MathFunctions 库链接到主程序 tutorial 中。

当我在 Linux 上构建这个项目时，我看到 build/MathFunctions 目录下生成了 libMathFunctions.a 文件，这是一个静态链接的库文件，它已经成为主程序的一部分。

现在，我们还可以随意移动生成的 tutorial 可执行文件，它将继续正常运行，因为 libMathFunctions.a 已经被静态链接进主程序中。

学习 CMake 的基本工作原理和如何用它完成一些基本任务确实很有意思。

CMake 解决了我现在在 C++ 打包方面遇到的大部分问题。同时，探索 Conan 和 vcpkg 以简化 C++ 中的依赖管理也是一件有趣的事情。未来有机会的话，我应该会进一步了解和尝试这些工具。