C++ CMake

CMake 简介

CMake 是一个开源的跨平台自动化构建系统，它使用与平台和编译器无关的配置文件来控制软件编译过程，可以生成标准的构建文件（如 Makefile 或 Visual Studio 项目文件）。在 C++ 项目开发中，CMake 已成为事实上的标准构建工具，尤其适用于中大型项目。

为什么需要 CMake？

当我们的 C++ 项目变得越来越复杂时，手动管理编译过程会变得非常困难：

• 多个源文件需要编译
• 依赖库需要链接
• 不同平台需要不同的编译选项
• 第三方库的管理

CMake 通过一种简单的声明式语法解决这些问题，让开发者能专注于代码而不是构建系统。

提示

CMake 不是直接的构建系统，而是一个构建系统的生成器。它会生成你选择的构建系统（如 Make、Ninja、Visual Studio 等）的输入文件。

CMake 基础

安装 CMake

在开始之前，你需要先安装 CMake：

• Windows: 从 CMake 官网 下载安装程序
• macOS: 使用 Homebrew: brew install cmake
• Linux: 使用包管理器，如 apt install cmake 或 yum install cmake

安装完成后，可以通过命令行验证：

bash

cmake --version

第一个 CMake 项目

让我们从一个简单的 "Hello World" 程序开始：

1. 创建项目文件夹结构：

hello_cmake/
├── CMakeLists.txt
└── main.cpp

2. main.cpp 文件内容：

cpp

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello, CMake!" << std::endl;
    return 0;
}

3. CMakeLists.txt 文件内容：

cmake

# 设置 CMake 最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

# 设置项目名称
project(HelloCMake)

# 设置 C++ 标准
set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

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

4. 构建项目：

bash

# 创建构建目录
mkdir build
cd build

# 生成构建系统
cmake ..

# 执行构建
cmake --build .

5. 运行程序：

bash

# 在 Linux/macOS
./hello_cmake

# 在 Windows
hello_cmake.exe

输出：

Hello, CMake!

CMakeLists.txt 核心语法

这里是一些最常用的 CMake 命令：

• cmake_minimum_required(VERSION x.y): 指定所需的 CMake 最低版本
• project(项目名): 定义项目名称
• add_executable(可执行文件名 源文件): 指定要从哪些源文件构建可执行文件
• add_library(库名 [STATIC|SHARED|MODULE] 源文件): 从源文件创建库
• target_link_libraries(目标 库): 将库链接到目标
• target_include_directories(目标 [PUBLIC|PRIVATE|INTERFACE] 目录): 添加包含目录
• set(变量名 值): 设置 CMake 变量

进阶 CMake 用法

多文件项目

现在我们升级一下项目结构，包括多个源文件和头文件：

calculator/
├── CMakeLists.txt
├── include/
│   └── calculator.h
└── src/
    ├── calculator.cpp
    └── main.cpp

文件内容：

• include/calculator.h:

cpp

#pragma once

class Calculator {
public:
    int add(int a, int b);
    int subtract(int a, int b);
};

• src/calculator.cpp:

cpp

#include "calculator.h"

int Calculator::add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int Calculator::subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

• src/main.cpp:

cpp

#include <iostream>
#include "calculator.h"

int main() {
    Calculator calc;
    std::cout << "5 + 3 = " << calc.add(5, 3) << std::endl;
    std::cout << "5 - 3 = " << calc.subtract(5, 3) << std::endl;
    return 0;
}

• CMakeLists.txt:

cmake

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(CalculatorProject)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 添加头文件目录
include_directories(include)

# 添加所有源文件
set(SOURCES
    src/calculator.cpp
    src/main.cpp
)

# 创建可执行文件
add_executable(calculator ${SOURCES})

构建库和使用库

现在我们将计算器功能作为库，然后在主程序中使用它：

CMakeLists.txt:

cmake

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(CalculatorProject)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 添加库
add_library(calculator_lib src/calculator.cpp)
target_include_directories(calculator_lib PUBLIC include)

# 添加可执行文件并链接库
add_executable(calculator src/main.cpp)
target_link_libraries(calculator PRIVATE calculator_lib)

添加外部依赖

在实际项目中，我们经常需要使用第三方库。以下是如何在 CMake 中添加和使用一个外部库（以 Boost 为例）：

cmake

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(BoostExample)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 寻找 Boost 库
find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS filesystem system)

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

# 链接 Boost 库
if(Boost_FOUND)
    target_include_directories(boost_example PRIVATE ${Boost_INCLUDE_DIRS})
    target_link_libraries(boost_example PRIVATE ${Boost_LIBRARIES})
endif()

实际案例：构建一个带有测试的项目

下面是一个更完整的项目示例，包含源代码、库、测试和安装规则：

project/
├── CMakeLists.txt
├── include/
│   └── mylib/
│       └── myclass.h
├── src/
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── myclass.cpp
│   └── main.cpp
└── tests/
    ├── CMakeLists.txt
    └── test_myclass.cpp

主 CMakeLists.txt:

cmake

cmake_minimum_required(VERSION 3.14)
project(CompleteProject VERSION 1.0.0)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 启用测试
enable_testing()

# 添加子目录
add_subdirectory(src)
add_subdirectory(tests)

# 安装规则
install(TARGETS myapp DESTINATION bin)
install(TARGETS mylib DESTINATION lib)
install(DIRECTORY include/ DESTINATION include)

src/CMakeLists.txt:

cmake

# 创建库
add_library(mylib myclass.cpp)
target_include_directories(mylib PUBLIC ${CMAKE_SOURCE_DIR}/include)

# 创建可执行文件
add_executable(myapp main.cpp)
target_link_libraries(myapp PRIVATE mylib)

tests/CMakeLists.txt:

cmake

# 查找 Google Test
find_package(GTest REQUIRED)

# 添加测试可执行文件
add_executable(test_myclass test_myclass.cpp)
target_link_libraries(test_myclass PRIVATE mylib GTest::GTest GTest::Main)

# 添加测试
add_test(NAME MyClassTests COMMAND test_myclass)

备注

这个例子使用了 Google Test，你需要事先安装它或通过 CMake 的 FetchContent 模块获取它。

构建和运行测试

bash

mkdir build && cd build
cmake ..
cmake --build .
ctest

CMake 最佳实践

目标属性而非全局变量

尽量使用目标特定的命令而不是全局设置：

cmake

# 不推荐
include_directories(include)
add_executable(myapp main.cpp)

# 推荐
add_executable(myapp main.cpp)
target_include_directories(myapp PRIVATE include)

使用模块化 CMake 文件

对于复杂项目，将 CMake 文件分解成多个模块：

cmake

# 在主 CMakeLists.txt 中
include(cmake/FindDependencies.cmake)
include(cmake/CompilerSettings.cmake)

指定编译选项

cmake

target_compile_options(myapp PRIVATE
    $<$<CXX_COMPILER_ID:MSVC>:/W4>
    $<$<NOT:$<CXX_COMPILER_ID:MSVC>>:-Wall -Wextra>
)

使用 CMake 工具

• cmake-format: 可以格式化 CMakeLists.txt 文件
• cmake-lint: 可以检查 CMake 代码的质量问题
• ccmake 或 cmake-gui: 提供交互式配置界面

故障排除

常见问题与解决方案

1. 找不到包

   问题：Could not find package SomeLib

   解决：使用 CMAKE_PREFIX_PATH 指定库的安装路径

   bash

   cmake -DCMAKE_PREFIX_PATH=/path/to/somelib ..

2. 编译器不支持指定的 C++ 标准

   问题：Compiler does not support -std=c++17

   解决：降低 C++ 标准或更新编译器

   cmake

   set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)

3. 链接错误

   问题：Undefined reference to function

   解决：确保正确链接了所有必要的库

   cmake

   target_link_libraries(myapp PRIVATE required_lib)

总结

CMake 是 C++ 项目中不可或缺的构建工具，它提供了一个强大、灵活且跨平台的解决方案来管理复杂的构建过程。本文介绍了：

• CMake 的基本概念和安装
• 创建基本 CMake 项目
• 处理多文件项目和库
• 添加和使用外部依赖
• 使用 CMake 的最佳实践

掌握 CMake 将极大地提高你的 C++ 开发效率，特别是在处理大型项目或需要跨平台支持时。

练习

1. 创建一个包含多个源文件的基本 C++ 项目，并使用 CMake 构建它。
2. 将项目的一部分功能抽取为一个库，然后在主程序中使用这个库。
3. 在项目中添加一个外部依赖（如 fmt 或 nlohmann_json 库）。
4. 为项目添加单元测试，并确保它们可以通过 CTest 运行。
5. 尝试为你的项目创建一个安装目标，并指定安装规则。

进一步学习的资源

• 官方 CMake 文档
• CMake 教程
• Modern CMake 指南
• 《Professional CMake》书籍
• CMake 示例仓库