CMake 構建系統概述

關鍵要點

研究表明，CMake 是一種強大的跨平臺構建系統，廣泛用于 C++ 項目。
證據傾向于認為，CMake 通過生成本地構建文件（如 Makefile、Visual Studio 項目）簡化軟件構建。
它似乎可能支持多種平臺，包括 Windows、Linux 和 macOS，適合復雜項目。
存在爭議，部分開發者認為其腳本語言學習曲線較陡，但社區支持廣泛。

CMake 構建系統概述

什么是 CMake？
CMake 是一種跨平臺構建系統生成工具，最初于 2000 年由 Kitware 公司開發，旨在解決傳統構建工具（如 Make 和 autoconf）在跨平臺上的局限性。它不直接編譯代碼，而是生成本地平臺的構建文件（如 Makefile、Visual Studio 項目文件、Ninja 腳本等），方便在不同操作系統（如 Windows、Linux、macOS）上構建軟件。CMake 的核心是 CMakeLists.txt 文件，用于描述項目的結構、源文件和構建設置。

如何工作？
CMake 的工作流程分為兩步：

配置階段：運行 cmake 命令，解析 CMakeLists.txt，生成適合目標平臺的構建文件。
構建階段：使用生成的構建文件（如 make 或 Visual Studio）編譯和鏈接代碼。
它支持出源構建，將構建文件存儲在獨立目錄（如 build/），避免污染源代碼目錄。

使用方法
使用 CMake 需要：

創建 CMakeLists.txt，定義項目信息和目標。例如：

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.0)
project(myApp VERSION 1.0 DESCRIPTION "一個簡單的 CMake 示例" LANGUAGES CXX)
add_executable(myApp src/main.cpp)
target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20)

在構建目錄運行 cmake .. 生成文件，然后用 cmake --build . 構建項目。

優勢
CMake 因其跨平臺能力、依賴管理能力和社區支持而受歡迎。相比其他工具：

比 Make 更強大，自動處理依賴；
比 Autotools 更簡單，Windows 支持更好；
比 SCons 更快，比 Premake 錯誤報告更清晰。

詳細調研筆記：CMake 構建系統的來龍去脈

CMake 構建系統是現代軟件開發中不可或缺的工具，尤其在 C++ 項目中占據主導地位。以下是其定義、歷史、工作原理、關鍵特性、使用方法和優勢的詳細分析，旨在為讀者提供全面的理解。

1. 定義與背景

CMake 是一種跨平臺的構建系統生成工具（meta-build system），由 Kitware 公司于 2000 年開發，最初是為了支持 Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) 的多平臺構建。它的核心目標是解決傳統構建工具（如 Make 和 autoconf）在跨平臺上的局限性，例如 Make 文件高度依賴平臺，Windows 上需要額外的工具（如 nmake），而 autoconf 生成的腳本復雜且難以維護。

CMake 的工作方式是通過解析 CMakeLists.txt 文件，生成本地平臺的構建文件（如 Unix 的 Makefile、Windows 的 Visual Studio 項目文件、Ninja 構建腳本等），然后由這些本地工具實際執行構建。它的設計理念是“一次編寫，處處構建”，適合從簡單項目到復雜大型項目的構建需求。

2. 歷史與發展

CMake 的開發始于 1999 年，受到美國國家醫學圖書館資助，旨在支持 Visible Human Project 下的 ITK 項目。2000 年，CMake 1.0 正式發布，初期功能包括依賴主機 C++ 編譯器、生成 Visual Studio 和 Unix makefiles、支持構建程序、靜態庫和共享庫等。

早期發展（2000-2010）：
- CMake 1.0 發布，支持基本的項目定義和源文件管理。
- 2006 年，CMake 2.0 發布，引入條件構建（if 語句）、變量管理和宏定義，增強靈活性。
- 被更多項目采用，如 Visualization Toolkit (VTK) 和 ITK，功能擴展到更多平臺。
中期發展（2010-2014）：
- 2010 年，CMake 2.8 發布，引入對外部庫的自動檢測（如 find_package），簡化依賴管理。
- 2014 年，CMake 3.0 發布，標志著“現代 CMake”的開始，強調使用目標（targets）和屬性（properties）取代全局變量。這使得 CMakeLists.txt 的編寫更加模塊化和可維護。
現代發展（2014-至今）：
- 2016 年，CMake 3.7 引入對 C++ 標準庫的自動鏈接，進一步簡化 C++ 項目構建。
- 2020 年，CMake 3.18 引入對 C++ 模塊的支持，增強代碼依賴管理。
- 截至 2025 年 6 月 14 日，CMake 4.0 發布，支持替代項目文件名，方便開發者過渡。

以下表格總結了 CMake 的主要發展里程碑：

年份	版本	主要變化
2000	1.0	基本項目定義和源文件管理，支持跨平臺構建。
2006	2.0	引入條件構建、變量管理和宏定義，增強靈活性。
2010	2.8	支持外部庫自動檢測（如 find_package）。
2014	3.0	強調目標和屬性管理，現代 CMake 開始。
2016	3.7	支持 C++ 標準庫自動鏈接，簡化 C++ 項目構建。
2020	3.18	引入 C++ 模塊支持，增強代碼依賴管理。
2022	4.0	支持替代項目文件名，方便開發者過渡。

3. 工作原理

CMake 的工作流程分為兩個階段：

配置階段：
- 用戶運行 cmake <source_dir> 命令，CMake 解析 CMakeLists.txt，根據指定的生成器（如 Unix Makefiles、Ninja）生成本地平臺的構建文件。
- 支持出源構建，用戶可以在源目錄外創建構建目錄（如 build/），運行 cmake .. 生成文件。
構建階段：
- 使用生成的構建文件調用本地構建工具。例如，生成 Makefile 后，可以運行 make 或 cmake --build . 編譯和鏈接代碼。
- CMake 確保依賴關系正確，自動處理增量構建（只重新構建發生變化的部分）。
關鍵文件：CMakeLists.txt：
- CMakeLists.txt 是 CMake 的核心配置文件，包含項目信息、源文件列表、構建目標和依賴管理。
- 示例：
  ?
```
cmake_minimum_required(VERSION 3.0.0)
project(myApp VERSION 1.0 DESCRIPTION "一個簡單的 CMake 示例" LANGUAGES CXX)
add_executable(myApp src/main.cpp)
target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20)
```
- 支持分層結構，根目錄的 CMakeLists.txt 可以包含子目錄的 CMakeLists.txt，反映項目目錄結構。

4. 關鍵特性

CMake 的功能強大，涵蓋以下方面：

跨平臺支持：
- 支持生成多種平臺的構建文件，包括 Windows（Visual Studio、NMake）、Linux（Make、Ninja）、macOS（Xcode）、iOS、Android 等。
- 通過單套 CMakeLists.txt 文件實現跨平臺構建。
生成器（Generators）：
- 支持多種生成器，如 Unix Makefiles、Ninja、Visual Studio、Xcode、Eclipse CDT 等。
- 用戶可以通過 -G 選項指定生成器，例如 cmake -G "Unix Makefiles" ..。
構建目標（Targets）：
- 支持定義可執行文件（add_executable）、靜態庫（add_library STATIC）、共享庫（add_library SHARED）等。
- 現代 CMake 強調使用目標屬性（如 target_compile_options、target_link_libraries）而非全局變量。
依賴管理：
- 通過 find_package 查找系統庫或外部依賴，通過 FetchContent 下載和構建依賴。
- 自動處理依賴關系，確保下游組件在源文件變化時重新構建。
條件構建：
- 使用 if、elseif、else 等命令支持根據平臺、編譯器或用戶選項進行條件構建。
- 示例：
```
if(WIN32)target_compile_options(myApp PRIVATE /W4)
else()target_compile_options(myApp PRIVATE -Wall -Wextra)
endif()
```
模塊化和可維護性：
- 現代 CMake（從 3.0 開始）建議使用目標和屬性，而不是全局變量（如 CMAKE_CXX_FLAGS），提高模塊化。
- 示例：target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20) 設置 C++ 標準。
包管理（Packaging）：
- 通過 CPack 工具支持生成安裝包（如 .deb、.rpm、.msi），便于分發。
IDE 支持：
- 可以生成 IDE 項目文件，如 Visual Studio 解決方案、Xcode 項目文件、Eclipse 項目文件等。
其他特性：
- 支持預編譯頭（從 3.6 開始）、C++ 模塊（從 3.28 開始）、JSON 數據提取（從 3.19 開始）。

5. 使用方法

使用 CMake 構建項目通常涉及以下步驟：

創建 CMakeLists.txt：

在項目根目錄創建 CMakeLists.txt，定義項目信息、源文件和構建目標。

示例：

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.0)
project(myApp VERSION 1.0 DESCRIPTION "一個簡單的 CMake 示例" LANGUAGES CXX)
add_executable(myApp src/main.cpp)
target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20)

創建構建目錄：
- 創建獨立構建目錄（如 build/），支持出源構建。
運行 CMake：
- 在構建目錄運行 cmake .. 生成構建文件。
- 可通過 -G 指定生成器，例如 cmake -G "Unix Makefiles" ..。
構建項目：
- 使用 cmake --build . 或調用本地工具（如 make）構建項目。
安裝（可選）：
- 如果定義了安裝規則，可運行 cmake --install . 安裝項目。
基本命令：
- cmake_minimum_required(VERSION <version>)：指定所需 CMake 版本。
- project(<name> VERSION <version> DESCRIPTION "<desc>" LANGUAGES <lang>)：定義項目。
- add_executable(<name> <source_files>)：創建可執行文件。
- add_library(<name> STATIC|SHARED <source_files>)：創建庫。
- target_compile_features(<target> PRIVATE <feature>)：設置編譯特征。
- target_compile_options(<target> PRIVATE <options>)：設置編譯選項。
- find_package(<package>)：查找外部庫。
- option(<var> "<desc>" [value])：定義可選變量。

6. 優勢與與其他構建系統的比較

CMake 的優勢使其在現代軟件開發中備受青睞：

跨平臺能力：
- 支持從桌面到移動設備（iOS、Android）再到高性能計算系統的多平臺構建。
高效和靈活：
- 自動處理依賴關系，確保只重新構建必要的部分。
- 支持復雜的條件構建和模塊化配置。
與其他構建系統的比較：
- 與 Make 比較：CMake 自動處理依賴關系，而 Make 需要手動維護，適合更復雜的項目。
- 與 Autotools 比較：Autotools 在 Windows 上表現不佳，而 CMake 更易于跨平臺使用。
- 與 SCons 比較：SCons 速度較慢，而 CMake 更高效。
- 與 Premake 比較：Premake 的錯誤報告較差，而 CMake 提供更清晰的錯誤信息。
- 與 Ninja 比較：Ninja 是快速構建工具，但需要 CMake 等高層工具生成輸入。
- 與 Meson 比較：Meson 專注于速度，但 CMake 在平臺支持（如 iOS、Android）上更全面。
社區和生態：
- CMake 是 C++ 項目的 de-facto 標準，擁有龐大的用戶社區和豐富的資源。
- 被廣泛用于開源項目（如 Android NDK、Boost、KDE）和商業軟件（如 Netflix、MySQL）。

7. 總結

CMake 構建系統是現代軟件開發中不可或缺的工具，尤其在 C++ 項目中。它通過生成本地平臺的構建文件，實現了跨平臺的軟件構建，同時提供了強大的依賴管理、條件構建和模塊化配置能力。CMake 的發展歷程從 2000 年至今，經歷了從簡單項目支持到復雜大型項目的演變，尤其在 2014 年后的“現代 CMake”階段，強調了目標和屬性的使用，提高了構建腳本的可讀性和可維護性。

對于開發者來說，掌握 CMake 是高效管理跨平臺項目的關鍵。通過簡單的 CMakeLists.txt 文件，開發者可以輕松定義項目結構、構建目標和依賴關系，從而在不同平臺上高效地構建軟件。