• CMake初步（1）

    转自：《你所不知的OSG》第一章：CMake初步（1）http://bbs.osgchina.org/forum.php?mod=viewthread&tid=1189&fromuid=3434

    本章的主要目的并非介绍OpenSceneGraph的常用类和功能，而是介绍它的一个重要伙伴，抑或说，是一个被愈来愈多的开源软件所青睐的强劲的辅助开发工具——CMake。

    CMake的定义是：一个跨平台、开源、可扩展的软件编译生成系统，如果您熟悉与之同类的QMake（开源开发库Qt的自动工程生成工具）或者Automake（Unix系统的常见工程生成工具）的话，想必更有助于对它的深入了解。用一句话来描述的话，CMake的工作就是：辅助生成不同平台上的Makefile脚本，从而建立整个软件工程的编译生成规则，以及它内部以及它与其它软件工具之间的依赖关系。

    不要认为Makefile只是Unix/Linux程序员的专属用品；Windows的程序开发同样离不开Makefile的概念。事实上，那些层出不穷的强大得令人眼花缭乱的IDE环境（譬如，家喻户晓的Visual Studio）为开发者们提供了太多的便利条件，以至于大家都渐渐学得好吃懒做起来——按个按钮，找个菜单项，或者极不情愿地在命令窗口中输入一串“start”字符……一切就可尽在掌握？抱歉，这世界上不会有那么多的便宜事。更多的时候，您不得不用着最简陋的文本编辑器，一行一行敲击，一行一行地耕耘。

    以上就是我们即将面临的学习内容——已经悠悠地打着哈欠了吗？对于那些没有Visual Studio，没有窗口和进度条，甚至没有鼠标可用的情景，一点都不愿理会吗？呃，那么敬请期待笔者的下一篇文字。（^_^）

    不然的话，欢迎进入自由教程《你所不知的OSG》的第一章。工欲善其事，必先利其器。现在就来尝试了解一下——也许你还有所不知的辅助编译工具，CMake。

    1.1 CMake概述

    善用兵者，役不再籍，粮不三载。

    CMake也许就可以喻为这样一位英武的大将。虽然看起来那么麻烦，那么深不可测，但是真正摸透它的脾气禀性之后，却能够得心应手，进而统领千军万马，事半而功倍。

    CMake的核心是脚本配置文件，也就是CMakeLists.txt这个简单的脚本文件，浏览一下OpenSceneGraph的源代码目录就可以发现，从根目录开始，几乎每一个包含了子工程源代码的目录（src，examples，applications等）都会同时附带一个CMakeLists.txt。在Windows下编译OSG时，只要轻松地将根目录的CMakeLists.txt拖动到CMake-GUI的窗口中，再进行相应的选项设置，就能够生成OSG的VisualStudio工程文件（或者，以笔者的喜好，生成nmake可用的Makefile文件），进而编译得到OSG动态链接库。

    Linux用户所需的工作如出一辙，在根目录下执行：
    1. # cmake . -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
    复制代码
    然后直接调用生成的Makefile脚本：
    1. # make; make install
    复制代码
    如此而已。

    但是，试图直接使用子目录的CMakeLists.txt却是无效的，原因很简单，系统找不到许多在根目录的CMakeLists文件中配置的参数和宏，因而会产生错误提示，无法继续执行。
    CMake可以针对不同的操作系统和IDE环境生成不同的脚本或工程文件，例如，VisualStudio解决方案，Mac OSX的XCode文件，Unix/Linux系统的Makefile文件等等。

    说了这么多，不知您从中摘出了多少对自己有用的信息呢？也许您还在被那些恼人的问题折磨着吧——我怎么生成不了FreeType插件呢？OSG怎么找不到我的第三方库呢？那么多的配置选项都是什么意思呢？本文无力解答这么多的问题，也许其中一些会在后继的文字中得到解答，也许其中一些笔者和其他研究者们也未曾探究过，也许其中一些只有您自己钻研得出答案……也许，也许您也曾一闪念想过，如果我的工程也使用CMake来配置，然后一个命令就整整齐齐地输出链接库和可执行文件来，让其他挠着头皮的同事们乍舌不已——那该有多么潇洒呢？

    那么，这才是本文的编写目的所在：就是设法帮助您，初步初步学会使用CMake编写自己的工程配置脚本，初步学会理解和阅读他人的CMake配置脚本代码，并因而能够独力阅读和理解OpenSceneGraph那繁多的配置选项，并在不算浩瀚的CMake脚本代码中（总比OSG的源代码要简单许多）找寻它们的芳踪。
    1.2 CMake脚本基本知识

    不知读者朋友们学习一门新的程序语言时，第一想要了解的是它的哪一方面内容？语法？关键字？应用范围？函数接口？这些当然都很重要，不过本文却要首先详解CMake脚本语言的组织结构，这将有助于您对这个陌生工具的全面理解，并且在面对版本更替和新的功能实现时，不会一头雾水，而是有的放矢，忙而不乱。

    CMake包含了以下几个基本概念：
    • CMakeLists.txt

    之前已经简单地介绍过了，这是CMake脚本代码和配置参数的载体，源代码目录中没有它的话，一个工程就不可能使用CMake的配置程序来完成自动Makefile脚本的生成工作。

    • 源码树和二进制树

    源代码树（Source Tree）和二进制树（Binary Tree）的含义很好理解：前者表达了一个工程的所有头文件（.h，.hxx，.hh，无扩展名，等等），源文件（.c，.cc，.cpp，.cxx，等等），CMake脚本（CMakeLists.txt），以及它们的目录树结构；后者则包括平台相关的解决方案或Makefile脚本，目标文件（.obj），编译后的动态/静态库和可执行文件，以及其它编译过程中生成的文件等。

    CMake允许“源码树内生成”（in-source build）和“源码树外生成”（out-of-source build）这两种工作方式。前者将会在源代码的同一目录下生成对应的Makefile脚本，目标文件以及结果；后者则是在不同的目录下执行编译生成的工作，源代码树则保持原样，十分有利于代码的版本更新，搜索管理，以及打包再发布。

    对于Windows用户，可以在CMake-GUI的“Where to build binaries”栏中输入新的工作路径以实现out-of-source的模式；Linux用户则可以简单地在外部目录执行cmake指令，例如：
    1. # cmake /home/myproject –DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
    复制代码
    这里的/home/myproject即是工程的根目录，其中必须包含有CMakeLists.txt文件。

    对于发展和功能增补十分迅速的OSG而言，“源码树外生成”当然是首选的编译方案。这样的话，当我们不满于动辄上G的临时文件容量之时，只需要随手删除其所在目录即可，不会影响到OSG源代码分毫。

    • CMakeModules模块

    一个工程需要依赖于另一个工程的头文件和库文件（.lib），无论对商业还是开源软件的开发流程来说，这都是不可或缺的一部分：GUI开发库Qt的部分功能依赖于libJPEG、libPNG；商业GIS引擎Skyline依赖于GDAL；就连微软的一些大型游戏都会依赖于开源工程OpenAL。

    那么，如何告诉我们的工程，这些头文件和LIB文件的位置呢？熟悉Visual Studio环境的朋友当然知道，在工程属性的“C/C++”和“链接器”选项卡中，可以分别设置它们的路径；而Linux编程时，则需要在脚本中手动添加-I以及-L、-l参数，保证#include宏不致无所适从，以及编译器不会产生该死的LNK2001，LNK2019错误。

    而对于使用CMake生成自动脚本的开发者来说，寻找头文件和库文件的工作，就交给CMakeModules中的各个模块来完成。

    在OSG的根目录下有一个不太引人注意的子目录文件夹，就是这个CMakeModules。其中的文件内容十分丰富，名称则一目了然：FindFreeType.cmake，FindGDAL.cmake，诸如此类。倘若用户机的设置得当，这些扩展名为.cmake的搜索脚本可以自动获取依赖库的路径信息（但是并不会主动将它们追加到工程属性中）；不然的话，我们在配置OSG时屡屡需要设置的FREETYPE_INCLUDE_DIR，GDAL_LIBRARY等选项，也是出自这些脚本的手笔。

    具体的搜索脚本阅读和编写方法稍后再说。感兴趣的朋友不妨现在就用文本编辑工具打开一瞧，没准它们也并不像您想象的那样复杂也说不定。

    • CMake基本宏

    细心的您想必已经发现了，前文我们在描述Linux下的CMake命令行时，有一个未作介绍的宏参数：-DCMAKE_BUILD_TYPE=Release。它可以被简单地分割为三个部分，-D是命令前缀词，CMAKE_BUILD_TYPE是宏命令的关键字，而Release则是对其赋值。这个内置宏标志的含义应当说不言而喻，它设置了工程即将采用的编译类型，可使用的值通常包括Debug、Release、RelWithDebInfo和MinSizeRel四种。和我们在Visual Studio等工具中所作的设置相似，这将改变工程的调试等级和编译生成的信息等诸多内容。

    除了CMAKE_BUILD_TYPE之外，CMake中还包含一些基本的内置宏指令，典型的例如：

    CMAKE_MODULE_PATH，设置搜索CMakeModules模块（.cmake）的额外路径。

    CMAKE_INCLUDE_PATH，设置自动查找依赖工程头文件的额外路径，默认为脚本中指定的搜索路径。

    CMAKE_LIBRARY_PATH，设置自动查找依赖工程库文件的额外路径，默认为脚本中指定的搜索路径。

    CMAKE_INSTALL_PREFIX，设置安装时的路径。这是一个重要的配置参数，当链接库和可执行文件的生成工作完毕时，往往需要将这些.lib，.dll，.exe和头文件拷贝到一个独立的文件夹下，以备调用和再次复制。在Visual Studio环境下我们通过INSTALL工程来完成这一安装工作；而Unix/Linux下则是熟悉的make install。默认的安装目录为/usr/local/或者C:/Program Files/。

    • CMake缓存信息

    当我们使用CMake生成了工程的解决方案或者Makefile脚本之后，再进入二进制树目录，也就是编译过程文件存储的位置（in-source模式为源代码同一目录，out-of-source模式为用户自行指定的文件夹），可以看到新生成的CMakeCache.txt文件，即缓存信息文件。

    CMakeCache.txt中存储了所有自动搜索或者手动配置的路径和脚本参数。当我们更新了工程的源代码，并准备重新进行编译时；使用这种缓存信息文件可以有效地加速CMake配置的过程，方法是直接将这个文件拖动到CMake-GUI窗口中，或者在命令行方式下执行：
    1. # cmake –C CMakeCache.txt
    复制代码
    此时系统将自动读入上一次配置的所有信息，使用CMake-GUI的用户可以在对话框中再次进行参数的修改，并生成新的解决方案或者Makefile文件，以供下一步的工程编译生成工作。
    1.3 你好，世界

    CMake是一种可扩展的脚本语言，要学会阅读和编写CMake脚本代码，就必须要理解它的基本词法和语法，以及理解它的接口扩充法则。而这一切的学习又都是建立在实践的基础上的，否则再好的教程课本和参考文档都只是废纸一张。

    那么，是先罗列枯燥的关键字好呢？还是先打开任意的文本编辑器，小试牛刀一把好呢？笔者窃以为后者是通往CMake入门者殿堂的更快途径。

    那么就让我们在不了解任何CMake脚本规范条目的前提下，开始CMake工程涉及的旅程吧。是不是有点疯狂呢？没关系，我们就用开发者最喜欢的“你好，世界”（Hello World）作为第一个实践的项目。编码过程中所涉及的各种词法和语法规则，我们仅仅稍作解释，只求给读者留下CMake脚本开发的初步印象，以便在阅读下一小节时能够更加得心应手。

    现在我们假设有这样一个工程，它包括一个名为HelloLib的动态链接库，以及一个依赖于这个库的Test可执行程序。其文件夹结构为：



    HelloLib子工程定义并实现了一个名为Hello的类，这个类只有一个公有方法sayHello()，作用是在屏幕上打印“Hello CMake”这一行简单的字符。为此，这个目录下将包含头文件Hello以及源文件Hello.cpp，并期望能够生成HelloLib.dll的动态链接库，以便所有依赖于HelloLib的程序可以因此打印出友好的欢迎语句。（尽管这看起来很幼稚 ^_^）

    Test子工程只有一个源文件test.cpp，它的工作仅仅是在main函数中调用sayHello()方法并即刻结束自己的使命。Test因而要依赖于HelloLib库存在，并期望生成一个名为Test.exe的可执行文件，在控制台窗口中执行自己的简单任务。

    这三个文件的源代码如下：
    1. /* Hello */
    2. #ifndef H_HELLOWORLD
    3. #define H_HELLOWORLD
    4. #if defined(_MSC_VER) || defined(__CYGWIN__) || defined(__MINGW32__)
    5. #    ifdef HELLOWORLD_LIBRARY
    6. #        define HELLOWORLD_EXPORT __declspec(dllexport)
    7. #    else
    8. #        define HELLOWORLD_EXPORT __declspec(dllimport)
    9. #    endif
    10. #else
    11. #    define HELLOWORLD_EXPORT
    12. #endif
    13. class HELLOWORLD_EXPORT Hello
    14. {
    15. public:
    16.     void sayHello();
    17. };
    18. #endif
    复制代码
    1. /* Hello.cpp */
    2. #include <iostream>
    3. #include "Hello"
    4. void Hello::sayHello()
    5. {
    6.     std::cout << "Hello CMake!" << std::endl;
    7. }
    复制代码
    1. /* test.cpp */
    2. #include <Hello>
    3. int main( int argc, char** argv )
    4. {
    5.     Hello obj;
    6.     obj.sayHello();
    7.     return 0;
    8. }
    复制代码
    现在我们给每一个文件夹中都追加一个CMakeLists.txt文件（因此共有3个），从而形成完整的CMake自动编译脚本树。这其中，工程根目录下的CMakeLists.txt决定了工程的基本属性，并使用ADD_SUBDIRECTORY，我们暂且称之为“命令”（Command），指向每一个工程子目录；而子目录下的CMakeLists.txt则决定了当前工程的属性，依赖关系，源代码文件以及编译规则等等。

    根目录下的CMake脚本实现代码如下：
    1. PROJECT( HelloWorld )
    2. CMAKE_MINIMUM_REQUIRED( VERSION 2.4.7 )
    3. ADD_SUBDIRECTORY( HelloLib )
    4. ADD_SUBDIRECTORY( Test )
    复制代码
    不要急于看下面的内容，先看看这段CMake脚本代码——也许您会发现它们其实很容易读懂对不对？首先指定整个工程的名称为HelloWorld，然后指定“所需的最低CMake版本”为2.4.7，并且添加两个子目录HelloLib和Test——这仅仅是我们根据英文关键字翻译过来的内容，但也恰恰是这段脚本想要表达的意思。这里面的关键是ADD_SUBDIRECTORY命令，它指示系统到下一级子目录去搜索CMakeLists.txt脚本的位置，并执行具体子工程的生成任务。

    子工程HelloLib的任务是：生成动态链接库HelloLib.dll（或者libHelloLib.so，Unix/Linux系统中），定义一个Hello类并指示动态链接库将其输出，以便依赖于HelloLib库的程序可以声明其实例并调用它的功能。

    它的脚本实现代码如下：
    1. ADD_DEFINITIONS( -DHELLOWORLD_LIBRARY )
    2. ADD_LIBRARY( HelloLib SHARED
    3.     Hello.cpp
    4. )
    复制代码
    这里出现了另一个重要的命令：ADD_DEFINITIONS，用于定义程序中所需的预编译宏，其固有参数格式通常是-D加上宏的名称。例如此处定义了一个HELLOWORLD_LIBRARY宏，进而在程序中设置了Hello类的输出方式。（Win32下往往使用dllexport来指定函数和类的输出，其它系统则通常不必特殊指示）当然使用#define来进行定义也是相同的作用，但是能够在编译脚本中有选择地完成此类工作的话，自然会给工程带来更大的灵活性和平台兼容能力。

    第二个重要的命令是ADD_LIBRARY，很明显，它的任务是指示CMake系统添加一个新的链接库（Library）子工程，其参数格式为：
    1. ( 库名称 库类型 源文件 )
    复制代码
    库名称为HelloLib，这也是最终生成的链接库的名称；类型为SHARED，即动态链接库（.dll或.so），而STATIC自然就表示生成静态链接库了（.lib或.a）；库所需的源代码文件只有一个，即Hello.cpp，其中所包含的头文件Hello因为和.cpp文件处于同一目录下，因此不必再特地指定。

    不要在意这里ADD_LIBRARY书写的缩进格式，甚至不必在意其大小写，它只是一种排版和增加易读性的方式而已，并无强制要求。

    就这么简单，一个新的链接库工程就建立完成了。如果使用CMake自动生成Visual Studio解决方案的话，应该可以看到这个子工程的身影了。什么？您的做法是选择Visual Studio菜单的“文件->新建->工程”，并且认为这样更加简单？目前也许如此，不过为何不晚些再下定论呢？

    那么，按照我们之前的约定，现在要建立一个名为Test的可执行工程（.exe），并通过它来调用Hello::sayHello()方法，打印字符串“Hello CMake!”。

    使用Visual Studio应该如何来操作呢？在同一个解决方案中再次选择“文件->新建->工程”；选择建立一个Win32控制台工程，将test.cpp拖动到源文件目录；下一步，在“工程属性->C/C++”中指定“附加头文件目录”为Hello所在的目录；在“工程属性->链接器”中指定“附加库文件”为HelloLib.dll；然后指定HelloLib和Test两者的依赖关系，编译生成，一切完毕——嗯，有些麻烦对不对？也许此时您会稍作期盼，CMake的做法能否像刚刚建立链接库那样简单呢？您说对了，就是那样简单：
    1. INCLUDE_DIRECTORIES( ${PROJECT_SOURCE_DIR}/HelloLib )
    2. ADD_EXECUTABLE( Test
    3.     test.cpp
    4. )
    5. TARGET_LINK_LIBRARIES( Test HelloLib )
    复制代码
    这里涉及到一个“变量”的概念，即${PROJECT_SOURCE_DIR}。对于精通C/C++编程的您来说，这类情形其实再熟悉不过，例如：
    1. std::string str1 = “abc”;
    2. std::string str2 = str1 + “def”;
    3. std::string str3 = “str1 + def”;
    复制代码
    您一定知道，这里str2的赋值为“abcdef”，而str3则是令人匪夷所思的“str1+def”。变量str1的职责和作用范围也因此不言而喻。

    CMake中的变量也是如此：我们可以使用SET命令来设置和传递各种用户变量，也可以直接使用系统内置的全局变量，例如此处的PROJECT_SOURCE_DIR。注意所有对于变量值的使用都需要遵循“${……}”的格式，否则它会被识别为普通的字符串，就像str3中存储的结果那样；但是对于CMake而言，就算是被引号包含，也同样可以使用“${……}”来指定使用变量中的内容，例如：
    1. SET( MY_SYSTEM “CMake building system” )
    2. MESSAGE( “${MY_SYSTEM} is good for developers.” )
    复制代码
    将显示“CMake building system is good for developers.”这一句完整的对白，而非毫无意义的MY_SYSTEM符号。当然，聪明的您也不需要笔者过多解释此处MESSAGE命令的意思——它想必是用来显示调试或警告信息的，通过控制台窗口或者对话框。

    注意，CMake的变量是可以“自省”的。如果我们现在有一个名为MY_NAME的变量赋值为“WANG”，那么${MY_NAME}_LIB变量也就等同于WANG_LIB变量，在脚本中对于${${MY_NAME}_LIB}的使用也就等同于对${WANG_LIB}的使用。

    还有一点需要注意，CMake中的变量类型只有•字符串•这一种！但是它却可以被不同的脚本命令灵活地识别为字符串、布尔型、整型或浮点型，这样也省却了类型转换的种种麻烦。

    这样繁琐的讲解是否有助于您的学习理解呢，抑或是啰嗦得使您觉得厌烦了？那么我们回到脚本代码中来。明白了PROJECT_SOURCE_DIR的含义，您自然也能猜到这个变量中的内容是什么，也就是整个工程的根目录了。它由系统自动检测和赋值，不需要我们操心；而这个变量对于各个子工程之间的依赖关系设置，以及头文件和源文件路径设置显然有着至关重要的作用！这一点不言自明。

    在Test子工程的CMake脚本中，我们首先使用INCLUDE_DIRECTORIES命令设置附加头文件目录的位置；然后用ADD_EXECUTABLE指定要编译的可执行程序名称和相关源文件；最后使用TARGET_LINK_LIBRARIES设置Test所依赖的链接库文件，即刚刚设置生成的HelloLib库。

    一切就是如此。那么，启动您的CMake-GUI窗口或命令行，生成您钟爱的工程或者Makefile，并且编译运行。结果精致而简单，过程也不复杂，收获不多也不少——这样的感觉，不是很惬意吗？
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