CMake

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你或许听过好几种 Make 工具，例如 GNU Make ，QT 的 qmake ，微软的 MS nmake，BSD Make（pmake），Makepp，等等。这些 Make 工具遵循着不同的规范和标准，所执行的 Makefile 格式也千差万别。这样就带来了一个严峻的问题：如果软件想跨平台，必须要保证能够在不同平台编译。而如果使用上面的 Make 工具，就得为每一种标准写一次 Makefile ，这将是一件让人抓狂的工作。 CMake就是针对上面问题所设计的工具：它首先允许开发者编写一种平台无关的 CMakeList.txt 文件来定制整个编译流程，然后再根据目标用户的平台进一步生成所需的本地化 Makefile 和工程文件，如 Unix 的 Makefile 或 Windows 的 Visual Studio 工程。从而做到“Write once, run everywhere”。显然，CMake 是一个比上述几种 make 更高级的编译配置工具。

使用

在 linux 平台下使用 CMake 生成 Makefile 并编译的流程如下：

  1. 编写 CMake 配置文件 CMakeLists.txt 。
  2. 执行命令 cmake PATH 或者 ccmake PATH 生成 Makefile。其中， PATH 是 CMakeLists.txt 所在的目录。
  3. 使用 make 命令进行编译。

案例

单个源文件

编写 CMakeLists.txt 文件，并保存在与 main.cc 源文件同个目录下。

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# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)
# 项目信息
project (Demo1)
# 指定生成目标
add_executable(Demo main.cc)

CMakeLists.txt 的语法比较简单，由命令、注释和空格组成，其中命令是不区分大小写的。符号 # 后面的内容被认为是注释。命令由命令名称、小括号和参数组成，参数之间使用空格进行间隔。

对于上面的 CMakeLists.txt 文件，依次出现了几个命令：

  • cmake_minimum_required：指定运行此配置文件所需的 CMake 的最低版本；
  • project：参数值是 Demo1，该命令表示项目的名称是 Demo1 。
  • add_executable： 将名为 main.cc 的源文件编译成一个名称为 Demo 的可执行文件。

编译项目: 在当前目录执行 cmake . ，得到 Makefile 后再使用 make 命令编译得到 Demo1 可执行文件。

同一目录，多个源文件

工程结构：

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./Demo2
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    +--- main.cc
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    +--- MathFunctions.cc
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    +--- MathFunctions.h

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// main.cc
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "MathFunctions.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 3){
        printf("Usage: %s base exponent \n", argv[0]);
        return 1;
    }
    double base = atof(argv[1]);
    int exponent = atoi(argv[2]);
    double result = power(base, exponent);
    printf("%g ^ %d is %g\n", base, exponent, result);
    return 0;
}
// main.cc end

// MathFunctions.h
#ifndef POWER_H
#define POWER_H

extern double power(double base, int exponent);

#endif
// MathFunctions.h end

// MathFunctions.cc
double power(double base, int exponent)
{
    int result = base;
    int i;

    if (exponent == 0) {
        return 1;
    }
    
    for(i = 1; i < exponent; ++i){
        result = result * base;
    }

    return result;
}
// MathFunctions.cc end

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# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)
# 项目信息
project (Demo2)
# 指定生成目标
add_executable(Demo main.cc MathFunctions.cc)

果源文件很多，把所有源文件的名字都加进去将是一件烦人的工作。更省事的方法是使用 aux_source_directory 命令，该命令会查找指定目录下的所有源文件，然后将结果存进指定变量名。其语法如下：

aux_source_directory(

)

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# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)
# 项目信息
project (Demo2)
# 查找当前目录下的所有源文件
# 并将名称保存到 DIR_SRCS 变量
aux_source_directory(. DIR_SRCS)
# 指定生成目标
add_executable(Demo ${DIR_SRCS})

多个目录，多个源文件

工程结构：

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./Demo3
    |
    +--- main.cc
    |
    +--- math/
          |
          +--- MathFunctions.cc
          |
          +--- MathFunctions.h

对于这种情况，需要分别在项目根目录 Demo3 和 math 目录里各编写一个 CMakeLists.txt 文件。为了方便，我们可以先将 math 目录里的文件编译成静态库再由 main 函数调用。

根目录中的 CMakeLists.txt ：

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# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)
# 项目信息
project (Demo3)
# 查找当前目录下的所有源文件
# 并将名称保存到 DIR_SRCS 变量
aux_source_directory(. DIR_SRCS)
# 添加 math 子目录
add_subdirectory(math)
# 指定生成目标 
add_executable(Demo main.cc)
# 添加链接库
target_link_libraries(Demo MathFunctions)
  • 命令add_subdirectory指明本项目包含一个子目录 math，这样 math 目录下的 CMakeLists.txt 文件和源代码也会被处理 。
  • 命令target_link_libraries指明可执行文件 main 需要连接一个名为 MathFunctions 的链接库 。

子目录中的 CMakeLists.txt：

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# 查找当前目录下的所有源文件
# 并将名称保存到 DIR_LIB_SRCS 变量
aux_source_directory(. DIR_LIB_SRCS)
# 生成链接库
add_library (MathFunctions ${DIR_LIB_SRCS})

使用命令 add_library 将 src 目录中的源文件编译为静态链接库

自定义编译选项

工程结构：

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.
├── CMakeLists.txt
├── config.h.in
├── main.cc
└── math
    ├── CMakeLists.txt
    ├── MathFunctions.cc
    └── MathFunctions.h

CMake 允许为项目增加编译选项，从而可以根据用户的环境和需求选择最合适的编译方案。

例如，可以将 MathFunctions 库设为一个可选的库，如果该选项为 ON ，就使用该库定义的数学函数来进行运算。否则就调用标准库中的数学函数库。

根目录中的 CMakeLists.txt ：

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# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)
# 项目信息
project (Demo4)
# 加入一个配置头文件，用于处理 CMake 对源码的设置
configure_file (
  "${PROJECT_SOURCE_DIR}/config.h.in"
  "${PROJECT_BINARY_DIR}/config.h"
  )
# 是否使用自己的 MathFunctions 库
option (USE_MYMATH
       "Use provided math implementation" ON)
# 是否加入 MathFunctions 库
if (USE_MYMATH)
  include_directories ("${PROJECT_SOURCE_DIR}/math")
  add_subdirectory (math)  
  set (EXTRA_LIBS ${EXTRA_LIBS} MathFunctions)
endif (USE_MYMATH)
# 查找当前目录下的所有源文件
# 并将名称保存到 DIR_SRCS 变量
aux_source_directory(. DIR_SRCS)
# 指定生成目标
add_executable(Demo ${DIR_SRCS})
target_link_libraries (Demo  ${EXTRA_LIBS})

其中：

  1. 第7行的 configure_file 命令用于加入一个配置头文件 config.h ，这个文件由 CMake 从 config.h.in 生成，通过这样的机制，将可以通过预定义一些参数和变量来控制代码的生成。
  2. 第13行的 option 命令添加了一个 USE_MYMATH 选项，并且默认值为 ON 。
  3. 第17行根据 USE_MYMATH 变量的值来决定是否使用我们自己编写的 MathFunctions 库。

修改 main.cc 文件，让其根据 USE_MYMATH 的预定义值来决定是否调用标准库还是 MathFunctions 库：

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// main.cc 
#include 
#include 
#include "config.h"
#ifdef USE_MYMATH
  #include "math/MathFunctions.h"
#else
  #include 
#endif
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 3){
        printf("Usage: %s base exponent \n", argv[0]);
        return 1;
    }
    double base = atof(argv[1]);
    int exponent = atoi(argv[2]);
    
#ifdef USE_MYMATH
    printf("Now we use our own Math library. \n");
    double result = power(base, exponent);
#else
    printf("Now we use the standard library. \n");
    double result = pow(base, exponent);
#endif
    printf("%g ^ %d is %g\n", base, exponent, result);
    return 0;
}

上面的程序值得注意的是第2行，这里引用了一个 config.h 文件，这个文件预定义了 USE_MYMATH 的值。但我们并不直接编写这个文件，为了方便从 CMakeLists.txt 中导入配置，我们编写一个 config.h.in 文件，内容如下：

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#cmakedefine USE_MYMATH

这样 CMake 会自动根据 CMakeLists 配置文件中的设置自动生成 config.h 文件。

编译项目:

$ cmake -D USE_MYMATH=ON .

此时 config.h 的内容为：

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#define USE_MYMATH

$ cmake -D USE_MYMATH=OFF .

此时 config.h 的内容为：

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/* #undef USE_MYMATH */

安装和测试

CMake 也可以指定安装规则，以及添加测试。这两个功能分别可以通过在产生 Makefile 后使用 make install 和 make test 来执行。在以前的 GNU Makefile 里，你可能需要为此编写 install 和 test 两个伪目标和相应的规则，但在 CMake 里，这样的工作同样只需要简单的调用几条命令。

math/CMakeLists.txt:

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# 查找当前目录下的所有源文件
# 并将名称保存到 DIR_LIB_SRCS 变量
aux_source_directory(. DIR_LIB_SRCS)

# 指定生成 MathFunctions 链接库
add_library (MathFunctions ${DIR_LIB_SRCS})

# 指定 MathFunctions 库的安装路径
install (TARGETS MathFunctions DESTINATION lib)
install (FILES MathFunctions.h DESTINATION include)

目录的 CMakeLists 文件:

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# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)

# 项目信息
project (Demo5)

set (CMAKE_INCLUDE_CURRENT_DIR ON)

# 加入一个配置头文件，用于处理 CMake 对源码的设置
configure_file (
  "${PROJECT_SOURCE_DIR}/config.h.in"
  "${PROJECT_BINARY_DIR}/config.h"
  )
 
# 是否使用自己的 MathFunctions 库
option (USE_MYMATH
	   "Use provided math implementation" ON)

# 是否加入 MathFunctions 库
if (USE_MYMATH)
  include_directories ("${PROJECT_SOURCE_DIR}/math")
  add_subdirectory (math)
  set (EXTRA_LIBS ${EXTRA_LIBS} MathFunctions)
endif (USE_MYMATH)

# 查找当前目录下的所有源文件
# 并将名称保存到 DIR_SRCS 变量
aux_source_directory(. DIR_SRCS)

# 指定生成目标
add_executable(Demo ${DIR_SRCS})
target_link_libraries (Demo  ${EXTRA_LIBS})

# 指定安装路径
install (TARGETS Demo DESTINATION bin)
install (FILES "${PROJECT_BINARY_DIR}/config.h"
         DESTINATION include)

# 启用测试
enable_testing()

# 测试程序是否成功运行
add_test (test_run Demo 5 2)

# 测试帮助信息是否可以正常提示
add_test (test_usage Demo)
set_tests_properties (test_usage
  PROPERTIES PASS_REGULAR_EXPRESSION "Usage: .* base exponent")

# 测试 5 的平方
# add_test (test_5_2 Demo 5 2)

# set_tests_properties (test_5_2
#  PROPERTIES PASS_REGULAR_EXPRESSION "is 25")

# 测试 10 的 5 次方
# add_test (test_10_5 Demo 10 5)

# set_tests_properties (test_10_5
#  PROPERTIES PASS_REGULAR_EXPRESSION "is 100000")

# 测试 2 的 10 次方
# add_test (test_2_10 Demo 2 10)

# set_tests_properties (test_2_10
#  PROPERTIES PASS_REGULAR_EXPRESSION "is 1024")

# 定义一个宏，用来简化测试工作
macro (do_test arg1 arg2 result)
  add_test (test_${arg1}_${arg2} Demo ${arg1} ${arg2})
  set_tests_properties (test_${arg1}_${arg2}
    PROPERTIES PASS_REGULAR_EXPRESSION ${result})
endmacro (do_test)

# 利用 do_test 宏，测试一系列数据
do_test (5 2 "is 25")
do_test (10 5 "is 100000")
do_test (2 10 "is 1024")

生成的 Demo 文件和 MathFunctions 函数库 libMathFunctions.a 文件将会被复制到 /usr/local/bin 中，而 MathFunctions.h 和生成的 config.h 文件则会被复制到 /usr/local/include 中

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-- Installing: /usr/local/bin/Demo
-- Installing: /usr/local/include/config.h
-- Installing: /usr/local/bin/libMathFunctions.a
-- Up-to-date: /usr/local/include/MathFunctions.h

这里的 /usr/local/ 是默认安装到的根目录，可以通过修改 CMAKE_INSTALL_PREFIX 变量的值来指定这些文件应该拷贝到哪个根目录。

test_run 用来测试程序是否成功运行并返回 0 值。接下来的三个测试分别用来测试 5 的 平方、10 的 5 次方、2 的 10 次方是否都能得到正确的结果。其中 PASS_REGULAR_EXPRESSION 用来测试输出是否包含后面跟着的字符串。

如果要测试更多的输入数据，像上面那样一个个写测试用例未免太繁琐。这时可以通过编写宏来实现。

添加环境检查

有时候可能要对系统环境做点检查，例如要使用一个平台相关的特性的时候。在这个例子中，我们检查系统是否自带 pow 函数。如果带有 pow 函数，就使用它；否则使用我们定义的 power 函数。

添加 CheckFunctionExists 宏 首先在顶层 CMakeLists 文件中添加 CheckFunctionExists.cmake 宏，并调用 check_function_exists 命令测试链接器是否能够在链接阶段找到 pow 函数。

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# 检查系统是否支持 pow 函数
include (${CMAKE_ROOT}/Modules/CheckFunctionExists.cmake)
check_function_exists (pow HAVE_POW)

将上面这段代码放在 configure_file 命令前。

预定义相关宏变量

接下来修改 config.h.in 文件，预定义相关的宏变量。

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// does the platform provide pow function?
#cmakedefine HAVE_POW

在代码中使用宏和函数 最后一步是修改 main.cc ，在代码中使用宏和函数：

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#ifdef HAVE_POW
    printf("Now we use the standard library. \n");
    double result = pow(base, exponent);
#else
    printf("Now we use our own Math library. \n");
    double result = power(base, exponent);
#endif

添加版本号

给项目添加和维护版本号是一个好习惯，这样有利于用户了解每个版本的维护情况，并及时了解当前所用的版本是否过时，或是否可能出现不兼容的情况。

首先修改顶层 CMakeLists 文件，在 project 命令之后加入如下两行：

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set (Demo_VERSION_MAJOR 1)
set (Demo_VERSION_MINOR 0)

分别指定当前的项目的主版本号和副版本号。

之后，为了在代码中获取版本信息，我们可以修改 config.h.in 文件，添加两个预定义变量：

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// the configured options and settings for Tutorial
#define Demo_VERSION_MAJOR @Demo_VERSION_MAJOR@
#define Demo_VERSION_MINOR @Demo_VERSION_MINOR@

这样就可以直接在代码中打印版本信息了：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include "config.h"
#include "math/MathFunctions.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 3){
        // print version info
        printf("%s Version %d.%d\n",
            argv[0],
            Demo_VERSION_MAJOR,
            Demo_VERSION_MINOR);
        printf("Usage: %s base exponent \n", argv[0]);
        return 1;
    }
    double base = atof(argv[1]);
    int exponent = atoi(argv[2]);
    
#if defined (HAVE_POW)
    printf("Now we use the standard library. \n");
    double result = pow(base, exponent);
#else
    printf("Now we use our own Math library. \n");
    double result = power(base, exponent);
#endif
    
    printf("%g ^ %d is %g\n", base, exponent, result);
    return 0;
}