更现代化的 CMake

你疑似有点太现代化了。这里选择 CMake 3.9 版本，是 2017 年 7 月发布的，也就是 C++17 进入国际标准草案阶段之后 4 个月。

参考文献：
CMake Tutorial — CMake Documentation
An Introduction to Modern CMake · Modern CMake

1. 基本

一些基本用法

1.1. TL;DR

# 先看看选项的情况，后面还可以接 A(advanced), H(human-readable)
cmake -S . -L
# 生成
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -S . -B ./build
# 编译
cmake --build ./build
# 安装（选择你的英雄）
cmake --build ./build --target install
cmake --install ./build # CMake 3.15+
make -C build install

-S 表示 source 目录
-L 让 CMake 列出 cache variable 的情况
-B 表示 build 目录
--build 表示进行构建。加上 -j N 可以并行编译（ CMake 3.12+ ）
--install 后接 build 目录表示安装这个 project

据说这样写是异类，正常人一般 cd 进 ./build 之后进行操作，不需要带上那些指定 ./build 为目录的 flag

1.2. 通用的选项

CMAKE_BUILD_TYPE 顾名思义，没指定的话 CMake 不会给底层工具链传相关 flag ， i.e. 具体行为由底层工具链决定
CMAKE_INSTALL_PREFIX 顾名思义，默认为 /usr/local ，非 root 安装可以设置成 ~/.local
BUILD_SHARED_LIBS 在 add_library 时没指定 STATIC 或 SHARED 时会读取这个选项，如果是 ON 则会生成动态库，否则默认为静态
BUILD_TESTING 约定俗成表示启用测试，貌似 add_test 后默认启用

1.3. 建议

别用作用于全局的函数 e.g. link_directories, include_directories
别乱给 PUBLIC 的东西加上莫名其妙的 buff e.g. -Wall ，把这些上给 PRIVATE 的东西
别用 GLOB ，用了之后不重新生成项目的话底层工具感知不到项目的变化
尽量链接到 target ，不要直接链接某个库
链接时尽量加上 PRIVATE/PUBLIC

2. CMake 也是一种编程语言

CMake 怎么不算编程语言？（振声）

2.1. 变量

foo bar

2.1.1. 局部变量

顾名思义有作用域

set(VARIABLE_NAME "variable value")
set(SOME_LIST "foo" "bar")
set(SOME_LIST "foo;bar")

2.1.2. Cache 变量

一般用于命令行，比如通过 -D 定义的变量，比如 CMAKE_BUILD_TYPE

set(VARIABLE_NAME "variable value" CACHE STRING "variable description")

可选的变量类型有 BOOL, FILEPATH, PATH, STRING 和 INTERNAL 。其中 BOOL 比较常见，所以有一个更简洁的写法：

option(OPTION_NAME "option description" OFF)

可以在 <build-directory>/CMakeCache.txt 看到所有 cache 变量

这样写不会覆盖从命令行传进来的值（如果覆盖的话，处理不当会导致命令行参数不生效），在后面加上 FORCE 可以进行覆盖，比如覆盖命令行的 CMAKE_BUILD_TYPE ：

set(CMAKE_BUILD_TYPE "Release" CACHE STRING "the type of build." FORCE)

2.1.3. 环境变量

一般来说不建议写入环境变量

message("$ENV{SHELL}")
set(ENV{variable_name} "variable value")

2.1.4. Property

一般作用于比如 TARGET, INSTALL 或 TEST 之类的东西，大多数由 CMAKE_ 开头的变量初始化，比如 CXX_STANDARD 这个 property 由 CMAKE_CXX_STANDARD 变量初始化。比如设置使用 C++17 ：

set_property(TARGET target1 target2 target3
             PROPERTY CXX_STANDARD 17)

这种可以给多个东西设置一个 property ，还有一些特化版本可以给某一个特定类型的东西设置多个目标，比如给 TARGET ：

set_target_properties(target_name PROPERTIES
                      CXX_STANDARD 17
                      CXX_EXTENSIONS OFF)

2.2. 流程控制

if(variable)
  # 变量值为 `ON`, `YES`, `TRUE`, `Y` 或非零
else()
  # 变量表示否定
endif()

上面直接写了 variable 而不是 ${variable} 是由于历史原因， CMake 会自动展开 if 里面的变量，但这会导致歧义，比如：

set(foo "114514")
set(bar "foo")

if(${bar})
  # ...
endif()

这里 ${bar} 会被展开为 foo ，语句变为 if(foo) ，而这里 foo 也是一个变量， if 是否应该继续展开？ CMake 3.1 版本之后有了一个规则，双引号包起来的变量不会再被展开，所以可以这样写：

if("${bar}")

当然少不了逻辑运算符：

一元： NOT, TARGET, EXISTS(file), DEFINED, …
二元： STREQUAL, AND, OR, MATCHES(regexp), VERSION_LESS, VERSION_LESS_EQUAL(CMake 3.7+), …
括号用来调整优先级

2.3. 生成表达式

上面提到的东西基本都是 CMake 生成项目时进行的工作，而生成表达式可以在编译时执行一些逻辑操作，语法与变量展开类似，为 $<...> ，比如：

target_include_directories(foo PRIVATE /opt/include/$<CXX_COMPILER_ID>)

编译 foo 时会根据底层工具的不同选择不同的目录，比如使用 GNU GCC 时会选择 /opt/include/GNU ，使用 LLVM Clang 时会选择 /opt/include/Clang 。再比如：

target_compile_definitions(foo PRIVATE
  $<$<VERSION_LESS:$<CXX_COMPILER_VERSION>,4.2.0>:OLD_COMPILER>
)

如果编译器版本小于 4.2.0 的话，编译 foo 时 OLD_COMPILER 宏会被定义

2.4. 宏和函数

宏与函数的唯一区别就是宏没有作用域一说，里面的变量在宏外依然可以访问，而函数需要使用 set 配合 PARENT_SCOPE 把变量传给父作用域

function(my_func)
  message(STATUS "foo")
endfunction()

my_func()

可以定义命名参数：

function(my_func param1)
  message(STATUS "param1: ${param1}")
endfunction()

还有两个特殊变量，比如 my_func(foo bar) 调用：

ARGV 表示所有参数，为 my_func,foo,bar
ARGN 表示匹配后（这里除了函数名 my_func 外，把 foo 匹配给了 param1 ）剩下的参数，为 bar

CMake 3.5 后内置了 cmake_parse_arguments （之前版本可以引入 CMakeParseArguments 模块后使用），语法为：

function(my_func)
  cmake_parse_arguments(
    FOO
    "OPTION_1;OPTION_2"
    "ARG_1;ARG_2"
    "ARGS"
    ${ARGN}
  )
endfunction()

第一行 FOO 表示为后面定义的变量加上 FOO_ 前缀，比如第二行的 OPTION_1 实际名为 FOO_OPTION_1
第二行 OPTION_1;OPTION_2 表示匹配 BOOL 类型变量，比如在这个位置成功匹配到 OPTION_1 ，则 FOO_OPTION_1 为 TRUE
第三行 ARG_1;ARG_2 表示匹配含有单个值的变量，比如在这个位置成功匹配到 ARG_1 value1 ，则 FOO_ARG_1 为 value1
第四行 ARGS 表示匹配含有多个值的变量，比如在这个位置成功匹配到 ARGS foo bar ，则 ARGS 为 foo;bar
第五行 ${ARGN} 把函数名以外的所有参数传给 cmake_parse_arguments

举个例子：

my_func(OPTION_2 ARG_1 value1 ARGS 114 514)

my_func 内变量的情况：

FOO_OPTION_1 为 FALSE
FOO_OPTION_2 为 TRUE
FOO_ARG_1 为 value1
FOO_ARG_2 未定义
FOO_ARGS 为 114;514

未被成功匹配的所有变量会被装进 FOO_UNPARSED_ARGUMENTS 。如果不想写 OPTION_1;OPTION_2, ARG_1;ARG_2 这样带有分号的多个变量可以利用变量展开，比如这样可以实现同样的效果：

function(my_func)
  set(options OPTION_1 OPTION_2)
  set(single_value_args ARG_1 ARG_2)
  set(multi_value_args ARGS)
  cmake_parse_arguments(
    FOO
    "${options}"
    "${single_value_args}"
    "${multi_value_args}"
    ${ARGN}
  )
endfunction()

2.5. 与其他文件交互

我觉得这些设计有点蹩脚

2.5.1. 输出文件

configure_file 可以做一些替换，生成比如头文件：

// version.h.in
#define MY_VERSION_MAJOR @PROJECT_VERSION_MAJOR@
#define MY_VERSION_MINOR @PROJECT_VERSION_MINOR@
#define MY_VERSION_PATCH @PROJECT_VERSION_PATCH@
#define MY_VERSION_TWEAK @PROJECT_VERSION_TWEAK@
#define MY_VERSION "@PROJECT_VERSION@"

使用 configure_file ：

# CMakeLists.txt
configure_file(version.h.in version.h)

生成项目时会生成 version.h （具体版本号随便填的）：

// version.h
#define MY_VERSION_MAJOR 1
#define MY_VERSION_MINOR 14
#define MY_VERSION_PATCH 5
#define MY_VERSION_TWEAK 14
#define MY_VERSION "1.14.5.14"

configure_file 会替换 ${VAR} 和 @VAR@ 两种模式，可以 configure_file(... ... @ONLY) 使它只对 @VAR@ 进行替换，忽略 ${VAR} 格式。还有一种写法：

// foo.h.in
#cmakedefine FOO

如果在 CMake 里，变量 FOO 被定义了，则生成的 foo.h 为：

// foo.h
#define FOO

否则为：

// foo.h
/* #undef FOO */

当然 #cmakedefine VAR_NAME 后面还可以接 @VAR_NAME@ ，生成后变为 #define VAR_NAME value 或 /* #undef VAR_NAME */ 。如果喜欢 #define VAR_NAME 0/#define VAR_NAME 1 的格式还可以用另一种写法：

// foo.h.in
#cmakedefine01 FOO

如果在 CMake 里，变量 FOO 被定义了，则生成的 foo.h 为：

// foo.h
#define FOO 1

否则为：

// foo.h
#define FOO 0

2.5.2. 读取文件

比如让 CMake 读取头文件，自动填写 project 里的版本号：

# 在 version.h 里找到符合 `#define FOO_VER ".+"` 的一行，放进 `version_line` 里
file(STRINGS "version.h" version_line REGEX "#define FOO_VER \".+\"")
# 把这一行里实际的版本号提取到 `version_str` 里
string(REGEX REPLACE "#define FOO_VER \"(.+)\"" "\\1" version_str "${version_line}")
# 放进 project 里
project(foo VERSION ${version_str})

2.6. 调用其他程序

可以用 execute_process 配合 find_program 调用其他程序，比如模拟 ls -a | sort -i ：

find_program(ls_exe ls)      # 把 ls 的绝对路径放进 `ls_exe`
find_program(sort_exe sort)  # 把 sort 的绝对路径放进 `sort_exe`

if(ls_exe AND sort_exe)      # 确保 ls 和 sort 都找到了
  execute_process(
    COMMAND "${ls_exe}" -a   # ls -a
    COMMAND "${sort_exe}" -i # sort -i
    WORKING_DIRECTORY /home  # 在 /home 目录执行
    RESULT_VARIABLE ret      # 返回值存进 `ret`
    OUTPUT_VARIABLE stdout   # 标准输出存进 `stdout`
    ERROR_VARIABLE stderr)   # 标准错误存进 `stderr`
endif()

上面指定了多个 COMMAND ，这些 COMMAND 会依次被管道线串起来。

除此之外，还有 add_custom_command 可以实现更精细的控制，比如项目需要在编译时生成某个文件：

add_custom_command(
  OUTPUT "generated.cpp"
  COMMAND "${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/scripts/generate.py" --argument
  DEPENDS other_targets)
add_custom_target(
  generate
  DEPENDS "generated.cpp")

add_custom_command 后，如果某个 target 的源文件里包含了 OUTPUT 指定的文件，则这个 COMMAND 就会被执行一次。如果多个可能并行编译的 target 都以这个文件为源文件，则建议使用 add_custom_target 把这个文件包装成 target ，然后再作为 DEPENDS 放进可能并行编译的 target 里

3. 组织项目文件

我的个人口味

应该像这样：

.
├── CMakeLists.txt
├── cmake
│   ├── Find**.cmake
│   └── **.cmake
├── include
│   └── <project>
│       ├── **.hpp
│       └── **.hpp
├── LICENSE
├── readme.md
├── src
│   ├── **.cpp
│   ├── **.cpp
│   └── CMakeLists.txt
└── test
    ├── **.cpp
    └── CMakeLists.txt

cmake 目录下可以放一些 CMake 模块，这样可以让 CMake 读取 cmake 目录：

set(CMAKE_MODULE_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/cmake" ${CMAKE_MODULE_PATH})

下面的代码可以拒绝在包含 CMakeLists.txt 的目录下生成/编译项目：

file(TO_CMAKE_PATH "${PROJECT_BINARY_DIR}/CMakeLists.txt" cmake_file)
if(EXISTS "${cmake_file}")
  message(FATAL_ERROR "You cannot build in a source directory (or any directory with a CMakeLists.txt file).")
endif()

4. 给项目加 Buff

比如 C++ 标准，编译器自己的扩展

4.1. 半官方的设置默认编译模式的方式

CMake 如果没有被指定 CMAKE_BUILD_TYPE 的话具体编译成什么由底层工具决定，但他们的官方网站 Kitware.com 写了一篇设置默认编译模式的文章。大概是这样：

# 用 `default_build_type` 保存默认的编译模式，这里为 `Debug`
set(default_build_type "Debug")
# 如果 `CMAKE_BUILD_TYPE` 未定义
if(NOT CMAKE_BUILD_TYPE)
  # 输出一段日志
  message(STATUS "Setting build type to '${default_build_type}' as none was specified.")
  # 设置 `CMAKE_BUILD_TYPE` 为 `default_build_type`
  set(CMAKE_BUILD_TYPE "${default_build_type}" CACHE STRING "Choose the type of build." FORCE)
  # 这一行可以让 cmake-gui 给用户提供 `CMAKE_BUILD_TYPE` 的可选项
  set_property(CACHE CMAKE_BUILD_TYPE PROPERTY STRINGS "Debug" "Release" "RelWithDebInfo" "MinSizeRel")
endif()

4.2. C++17

更加现代化的设置方式为（ CMake 3.8+ ）：

# 设置 C++ 标准为 C++17
target_compile_features(foo PRIVATE cxx_std_17)
# 可选，用于禁用编译器扩展，比如 -std=gnu++17 之类的
set_target_properties(foo PROPERTIES CXX_EXTENSIONS OFF)

target_compile_features 允许更细粒度的编译器特性的控制。如果版本低于 3.8 ，可以这样：

set_target_properties(
  foo PROPERTIES           # 给 foo 设置
  CXX_STANDARD 17          # 设置为 C++17
  CXX_STANDARD_REQUIRED ON # 设置 CXX_STANDARD 为必须依赖
  CXX_EXTENSIONS OFF)      # 禁用编译器扩展

这里如果没启用 CXX_STANDARD_REQUIRED ，当底层编译器不支持 C++17 时， CMake 不会报错，而是继续执行，并给 foo 设置一个最接近的 C++ 标准。虽然这样也可以设置 C++ 标准，但没有 target_compile_features 一样的 PUBLIC, PRIVATE 控制

不要手动设置 -std=c++11 之类的显式 flag

4.3. PIC (Position Independent Code)

CMake 对应变量为 POSITION_INDEPENDENT_CODE ，由命令行参数 CMAKE_POSITION_INDEPENDENT_CODE 初始化。对于 SHARED 或 MODULE 的库 target ， POSITION_INDEPENDENT_CODE 默认为 ON ，否则为 OFF ，所以一般不需要手动指定，如果一定要指定的话可以这样：

# 全局启用
set(CMAKE_POSITION_INDEPENDENT_CODE ON)
# 对 foo 启用
set_target_properties(foo PROPERTIES POSITION_INDEPENDENT_CODE ON)

4.4. 链接外部的库

比如 -ldl 一般用来引入 dlopen 和 dlclose ， CMake 提供了 CMAKE_DL_LIBS ：

target_link_libraries(foo PRIVATE ${CMAKE_DL_LIBS})

别的库可以先 find_package ，比如链接 json-c ：

find_package(json-c REQUIRED CONFIG)
target_link_libraries(${PROJECT_NAME} PRIVATE json-c::json-c)

最基本的为：

find_package(package_name)

4.4.1. 查找模式

具体有两种模式：

Module 模式：这个模式下 CMake 会去 CMAKE_MODULE_PATH 找 Find<PackageName>.cmake ，这种一般是 CMake 或库的用户提供的， i.e. 非官方的。
Config 模式：这个模式下 CMake 会找 <package_name>-config[-version].cmake 或 <PackageName>Config[Version].cmake ，查找的目录更加细致，这种一般由库提供， i.e. 官方的。

没有指定模式的情况下 CMake 会先使用 Module 模式，失败后 fallback 到 Config 模式。如果需要指定，可以：

find_package(package_name MODULE) # 仅使用 Module 模式，不 fallback 到 Config 模式
find_package(package_name CONFIG) # 直接使用 Config 模式

4.4.2. 如果没找到

默认情况下 CMake 会输出一些警告，继续完成项目的生成，还可以加上 QUIET 或 REQUIRED 来禁用这些警告或停止下一步操作：

find_package(package_name QUIET)    # 没找到也不会输出警告，项目会照常生成
find_package(package_name REQUIRED) # 没找到会输出错误信息， CMake 会异常退出

4.5. 链接时优化

也就是 GCC 中的 -flto 选项， CMake 称其为 IPO (Interprocedural Optimization) 。 CMake 3.9+ 添加了 INTERPROCEDURAL_OPTIMIZATION 用于设置链接时优化，其值由 CMAKE_INTERPROCEDURAL_OPTIMIZATION 初始化，可以像这样启用：

set_target_properties(foo PROPERTIES INTERPROCEDURAL_OPTIMIZATION ON)

但如果编译器不支持 IPO ， CMake 会输出错误信息并异常退出，可以配合 CheckIPOSupported 模块解决这个问题：

include(CheckIPOSupported)
check_ipo_supported(RESULT with_ipo_support)
if(with_ipo_support)
  set_target_properties(foo PROPERTIES INTERPROCEDURAL_OPTIMIZATION ON)
endif()

4.6. 使用 CCache

可以把类似的程序（包装一个编译指令）放进 <LANG>_COMPILER_LAUNCHER 里作为 target 的 PROPERTY ，其值由 CMAKE_<LANG>_COMPILER_LAUNCHER 初始化，比如对 C++ 全局使用 CCache ：

find_program(CCACHE ccache) # 找到 ccache ，把绝对路径放进 `CCACHE` 里
if(CCACHE)
  set(CMAKE_CXX_COMPILER_LAUNCHER "${CCACHE}")
endif()

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