深入理解CMake构建系统

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简介：CMake是一种开源跨平台构建系统，它通过生成特定构建工具的配置文件来管理软件构建过程，不直接构建软件。CMake使用高级语言编写构建规则，从而简化跨多语言、多平台项目的构建过程，并使得构建过程标准化。它不仅支持广泛的平台，并且具备良好的模块化、兼容性和版本控制特性，还提供了图形界面工具和对测试、打包等扩展功能的支持。CMake已成为大型开源项目和企业内部开发的主流构建工具。

1. CMake跨平台开源构建系统概述

CMake简介

CMake是一个跨平台的自动化构建系统，用于管理软件项目构建的过程。它使用一个名为CMakeLists.txt的文件来控制编译过程，并生成原生的构建环境，如Makefile在Unix-like系统中或Visual Studio项目文件在Windows系统中。

CMake的优势

CMake的主要优势在于它的跨平台特性，它为开发者隐藏了不同平台间的构建差异性，简化了构建配置文件的编写。同时，CMake拥有强大的模块化特性，允许开发者创建可重用的模块来构建复杂的项目。它的兼容性和扩展性非常强，支持多种编程语言和测试工具，被广泛应用于开源和商业项目中。

CMake的使用场景

在开源社区和企业界，CMake被广泛用于构建各种规模的项目。无论是一个小型的库还是庞大的多平台应用程序，CMake都能够提供一致的构建体验。通过CMake，项目可以轻松迁移到不同的开发环境，也便于维护和扩展。接下来的章节，我们将详细探讨如何使用CMake编写CMakeLists.txt文件，并在不同的构建环境中配置和编译项目。

2. CMakeLists.txt文件的作用与入门示例

2.1 CMakeLists.txt的作用与结构

2.1.1 CMakeLists.txt的基本构成

在使用CMake进行项目构建时， CMakeLists.txt 文件是核心，它定义了项目的构建规则和配置。每一个使用CMake管理的项目都必须包含一个或多个 CMakeLists.txt 文件。这些文件通常放在项目的根目录下，以及包含源代码的子目录中。

基本的 CMakeLists.txt 文件包含以下几部分：

• cmake_minimum_required : 指定CMake的最低版本要求。
• project : 定义项目的名称和版本。
• add_executable 或 add_library : 创建可执行文件或库。
• target_include_directories : 指定编译器应搜索的头文件路径。
• target_link_libraries : 指定链接器应链接的库。
• add_subdirectory : 添加子目录到项目中。
• set : 设置变量，用于定制项目配置。

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(MyProject VERSION 1.0)

# 设置编译选项
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED True)

# 添加源文件
add_executable(MyApp main.cpp)

# 链接外部库
target_link_libraries(MyApp Threads::Threads)

在上面的示例中，我们定义了项目的最低CMake版本，项目名称和版本，设置了C++标准，并创建了一个名为 MyApp 的可执行文件，该文件由 main.cpp 源文件构建而成，同时也链接了线程库。

2.1.2 CMakeLists.txt与构建过程

CMakeLists.txt 文件定义了整个构建过程。当CMake运行时，它读取这些文件并生成构建系统文件（如Makefile），这些文件随后被用来实际编译和链接项目。构建过程包括预处理、编译、汇编和链接等步骤。

CMake通过一系列的指令来执行这些步骤，例如：

• add_compile_options : 添加编译器选项。
• add_definitions : 添加编译定义。
• add_custom_command : 添加自定义构建规则。
• add_custom_target : 添加自定义目标，用于执行特定的命令。
• add_dependencies : 指定目标的依赖关系。

这些指令允许开发者对构建过程有细粒度的控制，并能根据不同的需求定制构建行为。

2.2 CMake入门示例

2.2.1 单个源文件的构建示例

对于只有一个源文件的简单项目， CMakeLists.txt 文件的内容相对简单。假设我们有一个名为 hello.cpp 的源文件，我们想要生成一个可执行文件。

下面是一个 CMakeLists.txt 文件的简单示例：

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(Hello VERSION 1.0)

add_executable(hello hello.cpp)

这个文件声明了项目的最小CMake版本，定义了项目名称和版本，并添加了一个名为 hello 的可执行文件，它由 hello.cpp 源文件构建而成。

构建过程大致如下：

1. 配置阶段 : CMake读取 CMakeLists.txt ，并生成构建系统文件。
2. 生成阶段 : CMake使用构建系统文件进行实际的编译和链接，生成最终的可执行文件。

在命令行中，你可以使用以下命令来生成和构建项目：

mkdir build
cd build
cmake ..
make

这些命令将创建一个新的构建目录，运行CMake配置和生成过程，并使用生成的构建系统文件来编译项目。

2.2.2 多文件项目的构建示例

对于包含多个源文件和目录的项目，我们需要在 CMakeLists.txt 中组织这些文件。假设我们有一个包含多个源文件的项目结构：

/my_project
    /src
        main.cpp
        utils.cpp
    /include
        utils.h
    CMakeLists.txt

我们将编写一个 CMakeLists.txt 文件来构建这个项目：

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(MyProject VERSION 1.0)

# 包含目录
include_directories(include)

# 添加子目录src
add_subdirectory(src)

# 添加可执行文件
add_executable(MyApp main.cpp)

# 链接库
target_link_libraries(MyApp utils)

我们首先指定了头文件的路径，然后添加了 src 目录。由于 src 目录中包含了其他 CMakeLists.txt 文件，CMake会自动处理这个子目录。最后，我们创建了一个名为 MyApp 的可执行文件，并链接了 utils 库。

在这个例子中，我们展示了如何组织包含多个子目录和源文件的项目，以及如何在 CMakeLists.txt 中配置它们，以便CMake能够正确地构建项目。这不仅展示了CMake强大的模块化能力，同时也体现了其在处理大型项目时的灵活性。

3. CMake命令集的使用与构建过程控制

3.1 CMake命令集的基本使用

CMake命令集是进行项目构建管理的核心，提供了从配置到生成过程的全套工具和指令。通过这些命令，开发者可以控制构建环境的搭建、编译选项的设定、编译过程的管理和最终可执行文件或库文件的生成。

3.1.1 常用CMake命令介绍

命令是CMake语法的基本单元，它们定义了如何处理项目文件，以及如何构建项目。以下是一些常用的CMake命令：

• project() : 定义项目名称和可选的编程语言。
• add_executable() : 声明一个可执行文件及其依赖的源文件。
• add_library() : 声明一个库文件及其依赖的源文件。
• include_directories() : 添加编译时需要包含的目录。
• target_link_libraries() : 链接一个可执行文件或库到指定的库文件。
• add_subdirectory() : 添加一个子目录到当前目录。
• find_package() : 寻找并设置包的路径，以便能使用它们。

3.1.2 CMake命令行参数详解

CMake通过命令行参数提供了额外的配置选项，允许用户在命令行上控制构建过程，比如选择不同的生成器或设置特定的编译器。以下是两个常用的命令行参数：

• -G [generator-name] : 指定生成器，这决定了要使用的构建系统。
• -D [variable]:[type]=[value] : 设置缓存中的变量，用户可以通过这种方式覆盖默认值或添加新的编译选项。

这些命令和参数共同构成了CMake强大的构建系统的基础。

3.2 构建过程控制

CMake提供了丰富的构建控制选项，允许开发者在构建过程中引入条件判断、循环逻辑、变量自定义等功能，以满足复杂的项目需求。

3.2.1 自定义构建类型与变量

构建类型定义了项目的编译和链接选项。CMake提供了标准的构建类型（如Release、Debug、MinSizeRel、RelWithDebInfo），但也允许用户自定义构建类型。通过 set() 命令，可以设置变量的值，而 option() 命令则用于创建带有默认值的项目选项，供用户在CMake配置时修改。

3.2.2 构建系统中的条件判断与循环

构建系统中的条件判断和循环控制通常通过 if() 语句实现，可以基于项目的状态、变量的值或者系统的特性来决定执行哪些构建步骤。循环则通过 foreach() 和 while() 实现。这些控制结构使得构建脚本更加灵活，可以应对各种不同的构建需求。

if(ENABLE_OPTIMIZATION)
    add_compile_options(-O3)
else()
    add_compile_options(-g)
endif()

foreach(source_file ${SOURCES})
    add_executable(${PROJECT_NAME} ${source_file})
endforeach()

在上述示例中， if() 语句根据 ENABLE_OPTIMIZATION 变量的值决定添加的编译选项； foreach() 循环则用于添加多个源文件为一个可执行文件。

接下来的章节中，我们将深入了解CMake的工作流程，这是理解CMake如何将配置和生成阶段连接起来的关键部分。

4. CMake工作流程：配置与生成阶段

4.1 配置阶段详解

4.1.1 配置阶段的任务与作用

配置阶段是CMake构建过程中的第一阶段，它主要负责解析 CMakeLists.txt 文件，并根据目标平台和用户自定义的选项生成相应的构建系统文件。这个阶段是构建过程中的信息收集和准备阶段，它处理了诸如查找依赖、设置编译选项、定义构建类型等关键任务。

在配置阶段，CMake会执行一系列的检查和设置操作，这些操作包括但不限于：

• 依赖检测 ：检测系统中是否安装了项目所需的依赖库和工具链。
• 选项处理 ：根据命令行输入或默认设置，处理编译选项、宏定义等配置参数。
• 平台适配 ：适配不同的操作系统和编译器，为后续的生成阶段做好准备。

配置阶段的结果是生成一个 CMakeCache.txt 文件和构建目录下的 CMakeFiles 目录，其中 CMakeCache.txt 记录了配置阶段的决定和设置。

4.1.2 配置阶段的关键变量与缓存

配置阶段中，CMake使用变量来存储配置信息。这些变量可以是用户在命令行中指定的，也可以是CMake在运行时自动检测到的。关键的配置变量会保存在缓存中，以便在多次配置过程中保持一致性。

• CMAKE_BUILD_TYPE ：指定构建类型，如Debug、Release、MinSizeRel或RelWithDebInfo。
• CMAKE_CXX_COMPILER ：指定C++编译器。
• CMAKE_C_COMPILER ：指定C编译器。
• CMAKE_PREFIX_PATH ：指定依赖库的安装路径。

在配置阶段，用户可以通过命令行或者 CMakeLists.txt 中的 set() 命令来设置这些变量。如果需要为变量设置缓存值，可以使用 set(... CACHE ...) 形式。

4.1.1节的代码示例

# 示例CMakeLists.txt配置阶段代码
cmake_minimum_required(VERSION 3.10) # 指定CMake的最低版本
project(MyProject) # 指定项目名称

# 设置编译选项，启用C++11特性
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 查找依赖库
find_package(Threads REQUIRED) # 查找线程库

# 设置构建类型为Release
set(CMAKE_BUILD_TYPE Release CACHE STRING "Choose the type of build" FORCE)

# 其他配置选项...

4.2 生成阶段详解

4.2.1 生成阶段的任务与作用

生成阶段是CMake构建过程的第二个阶段，此阶段CMake使用配置阶段收集到的信息来生成实际的构建系统文件。这些文件可以是Makefile、Visual Studio项目文件等，具体取决于目标平台和用户选择的生成器。

在这个阶段，CMake执行如下任务：

• 生成构建文件 ：创建可以由构建工具理解的文件，例如Makefile或Visual Studio的 .sln 和 .vcxproj 文件。
• 决定构建顺序 ：基于项目依赖关系确定源文件的构建顺序。
• 优化构建过程 ：根据配置选项和缓存信息，进行构建过程的优化。

生成阶段完成后，用户可以通过CMake生成的构建系统文件，使用相应的工具（如 make 命令或Visual Studio IDE）来编译和链接项目。

4.2.2 生成特定类型项目的实例

假设我们有一个简单的CMake项目，项目中包含一个主程序 main.cpp 和一个库文件 library.cpp 及对应的头文件。下面展示了如何为这个项目生成一个Makefile。

# 示例CMakeLists.txt生成阶段代码
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(MyProject)

add_executable(myexe main.cpp)
add_library(mylib library.cpp)

# 链接库到可执行文件
target_link_libraries(myexe mylib)

使用CMake生成Makefile的步骤如下：

1. 创建一个构建目录： sh mkdir build && cd build

2. 在构建目录中运行CMake来配置和生成Makefile： sh cmake ..

3. 使用生成的Makefile来编译项目： sh make

在生成阶段，CMake将根据 CMakeLists.txt 中定义的目标和依赖关系，生成一个Makefile，该Makefile包含了构建项目的详细指令。当执行 make 命令时，它会根据Makefile中的指令编译源代码，生成最终的可执行文件。

4.2.1节的代码示例表格

下面是上述示例中各个命令的简要描述：

| 命令 | 描述 | |------|------| | cmake_minimum_required | 指定CMake的最低版本要求 | | project | 定义项目名称和使用的语言 | | add_executable | 创建一个可执行文件目标 | | add_library | 创建一个库文件目标 | | target_link_libraries | 将库链接到可执行文件 |

通过这个表格，我们可以看到每个命令的用途和在生成构建系统时所起的作用。这些步骤共同构成了生成阶段的核心，确保了最终的生成文件是按照项目的预期配置进行构建的。

5. CMake特性：跨平台、模块化、兼容性和版本控制

5.1 跨平台特性与支持

5.1.1 跨平台构建的原理与实践

CMake是一个跨平台的构建系统，它的跨平台特性允许开发者在不同的操作系统上，如Linux、Windows和Mac OS X，使用相同的构建脚本（CMakeLists.txt）来构建项目。其原理主要依靠抽象化的命令和脚本语言，这使得CMake能够生成符合特定平台要求的构建文件，比如Makefile、Visual Studio解决方案等。

在实践中，开发者通常会定义统一的CMakeLists.txt文件，其中包括项目描述、依赖关系以及生成规则。当运行CMake工具时，它会根据当前运行的操作系统选择合适的工具链来编译和链接项目。CMake还允许开发者针对特定平台编写条件语句，以支持平台特有的选项和路径。

5.1.2 支持的平台与系统特性

CMake支持的平台非常广泛，几乎所有常见的操作系统和硬件架构都在支持列表上，例如：

• Linux : 包括各种发行版，如Ubuntu、Fedora、CentOS等。
• Windows : 支持所有主流版本，包括32位和64位。
• Mac OS X : 支持较新版本的Mac系统。
• FreeBSD 和 Solaris 等UNIX系统。
• 交叉编译 ：支持在一种平台上编译出能够在另一种平台上运行的代码。

每个平台都有其特有的特性，CMake通过提供大量的内置变量和模块，使得开发者可以针对这些特性编写灵活的构建脚本。例如，为了支持不同平台的编译器，CMake提供了 CMAKE_C_COMPILER 和 CMAKE_CXX_COMPILER 变量来指定编译器的路径。

# 指定Windows下的MSVC编译器
set(CMAKE_C_COMPILER "cl" CACHE STRING "The C compiler.")
set(CMAKE_CXX_COMPILER "cl" CACHE STRING "The C++ compiler.")

# 指定Linux下的GCC编译器
set(CMAKE_C_COMPILER "gcc" CACHE STRING "The C compiler.")
set(CMAKE_CXX_COMPILER "g++" CACHE STRING "The C++ compiler.")

代码段展示了如何根据操作系统改变编译器的设置。CMake会根据设置的变量来生成适当的构建规则。此外，CMake还提供了许多特定平台的模块和宏，以简化交叉编译等复杂场景下的构建过程。

5.2 模块化与兼容性

5.2.1 CMake模块系统介绍

CMake的模块化设计使得它能够将通用的构建逻辑封装成模块，以供多个项目复用。通过引入模块化，CMake提高了代码的可维护性与可重用性，使得构建系统更加稳定和易于管理。

一个CMake模块通常包含一组函数、宏定义或变量设置，它们可以直接被CMakeLists.txt文件引用。例如， FindPackage 命令是用来查找项目依赖的一个模块化工具。它能够搜索并包含第三方库的构建规则，使得项目可以使用这些库。

# 使用FindPackage模块查找PNG库
find_package(PNG REQUIRED)
include_directories(${PNG_INCLUDE_DIR})

# 链接PNG库到项目
target_link_libraries(MyProject ${PNG_LIBRARIES})

此代码块展示了如何使用 FindPackage 模块查找和链接PNG库。CMake会自动处理查找库、设置包含目录和链接库等过程，简化了构建脚本的编写。

5.2.2 兼容性管理与模块化优势

CMake通过模块化设计，不仅提高了代码的复用性，还提升了项目的兼容性。兼容性管理是模块化设计的一个重要方面，它确保了在不同平台和配置下，构建过程的一致性和可靠性。

模块化的优势在于：

• 重用性 : 开发者可以编写一次构建逻辑，多次使用。
• 维护性 : 当构建逻辑需要变更时，只需修改模块文件。
• 一致性 : 同样的构建规则可用于不同的项目。
• 简洁性 : CMakeLists.txt文件通过引用模块变得更简洁。

CMake通过预定义模块和第三方模块的引入，提供了对旧版本兼容性的管理。这意味着即便是较旧的项目，也可以通过引入兼容模块来使用最新版本的CMake特性。模块化设计使得CMake能够适应不断发展的技术环境和开发需求。

5.3 版本控制与更新

5.3.1 CMake版本管理策略

CMake的版本管理策略确保了向后兼容性，同时允许进行改进和引入新特性。随着技术的发展和用户需求的变化，CMake会定期更新版本，添加新功能和优化现有的工作流程。

• 向后兼容性 : 新版本的CMake会保持对旧版本脚本的兼容性，使得用户可以平稳升级。
• 特性分支 : 新特性通常会先在一个特性分支（feature branch）上进行开发和测试。
• 弃用警告 : 对于即将弃用的功能，CMake通常会提前发布警告，以便开发者有足够的时间进行调整。

# 检查CMake版本是否符合要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.15)

这段代码展示了如何使用 cmake_minimum_required 命令来设置项目所需的CMake最低版本，以确保项目的构建脚本能够在预期的版本上运行。

5.3.2 升级指南与最佳实践

当CMake发布新版本时，升级指南通常会提供详细的变更说明和推荐的迁移策略。开发者应遵循以下最佳实践来升级CMake版本：

1. 阅读发行说明 : 了解新版本中的变更和新增特性。
2. 测试新特性 : 在不影响主要项目的情况下，尝试使用新特性。
3. 逐步迁移 : 先在子项目或新项目中尝试新版本，然后再迁移主项目。
4. 调整构建脚本 : 根据新版本更新***Lists.txt文件，解决兼容性问题。
5. 备份旧脚本 : 在升级前备份旧的CMakeLists.txt文件，以便出现任何问题时可以恢复。

# 检查当前版本是否高于特定版本
if(CMAKE_VERSION VERSION_LESS "3.10")
    message(FATAL_ERROR "This project requires at least CMake version 3.10")
endif()

代码示例展示了如何使用 if 语句和 VERSION_LESS 来检测当前CMake的版本，如果版本不符合要求，则终止构建过程并给出错误提示。通过这种方式，开发者可以确保项目使用的是兼容的CMake版本。

总结而言，CMake的跨平台、模块化和版本控制特性不仅使得构建过程更高效、一致，同时也确保了项目的长期可维护性和更新。通过灵活运用CMake的这些特性，开发者可以构建起稳定和可靠的构建系统，应对不断变化的技术和需求挑战。

6. CMake实践：设置构建选项与工具的使用

在CMake中设置构建选项和选择合适的构建工具是进行项目构建配置的关键步骤。构建选项可以决定项目的构建过程、特性启用以及编译器的选择等，而构建工具则提供实际的编译、链接等构建动作。本章节将介绍如何设置构建选项，以及如何选择和使用构建工具。

6.1 构建选项的设置与管理

6.1.1 如何设置构建选项

构建选项可以是二进制开关，也可以是具有特定值的变量。在CMake中，通过 set() 命令设置构建选项，这可以在CMakeLists.txt文件中完成，也可以在CMake的命令行界面（CLI）中完成。

以下是一个在CMakeLists.txt文件中设置构建选项的例子：

cmake_minimum_required(VERSION 3.14)
project(MyProject)

# 设置一个布尔型构建选项
option(BUILD_TESTING "Build the testing tree" ON)

# 设置一个带有值的构建选项
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

在CMake命令行中设置构建选项的例子：

$ cmake -DBUILD_TESTING=OFF ..

6.1.2 选项的默认值与环境变量

在CMake中，设置的构建选项可以有默认值，也可以通过环境变量覆盖。这是非常有用的功能，特别是在持续集成和跨平台部署时。

例如，在CMakeLists.txt中设置默认值：

# 设置默认构建类型为Release，但允许用户通过命令行覆盖
set(CMAKE_BUILD_TYPE Release CACHE STRING "Build type (Debug Release MinSizeRel RelWithDebInfo)")

通过环境变量覆盖：

$ export BUILD_TESTING=ON
$ cmake ..

6.2 构建工具的选择与使用

6.2.1 常见构建工具的介绍

CMake支持多种构建工具，例如make（Unix系统）、nmake（Windows）、Ninja等。用户可以根据需要选择合适的工具。Ninja因其速度和效率，在许多项目中被广泛采用。

选择构建工具时，可以通过指定生成器（generator）来实现：

# 在命令行中指定生成器
$ cmake -G "Ninja" ..

6.2.2 集成IDE与构建工具的示例

大多数现代集成开发环境（IDE）如Visual Studio、CLion和Eclipse都原生支持CMake。这意味着通过简单的配置，你就可以使用IDE中的图形界面来管理构建选项和启动构建过程。

例如，在Visual Studio中配置CMake项目：

1. 打开Visual Studio，选择“Open a local folder”。
2. 导航到你的CMake项目根目录。
3. Visual Studio将自动检测到CMakeLists.txt文件，并建议配置。
4. 点击“Configure”按钮配置项目，并选择生成器（如Visual Studio 16 2019）。
5. 配置完成后，使用“Build”菜单中的选项来构建项目。

集成IDE后，你可以方便地在IDE内部设置构建选项，而无需直接操作CMakeLists.txt或命令行。

以上就是在CMake中设置构建选项与工具使用的基本实践。通过这些实践，你可以更好地控制项目的构建过程，优化开发效率，并确保跨平台的兼容性。接下来的章节将继续探讨CMake的扩展应用，包括组件、测试和打包等。

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：CMake是一种开源跨平台构建系统，它通过生成特定构建工具的配置文件来管理软件构建过程，不直接构建软件。CMake使用高级语言编写构建规则，从而简化跨多语言、多平台项目的构建过程，并使得构建过程标准化。它不仅支持广泛的平台，并且具备良好的模块化、兼容性和版本控制特性，还提供了图形界面工具和对测试、打包等扩展功能的支持。CMake已成为大型开源项目和企业内部开发的主流构建工具。

本文还有配套的精品资源，点击获取