CMake 构建系统概述

关键要点

研究表明，CMake 是一种强大的跨平台构建系统，广泛用于 C++ 项目。
证据倾向于认为，CMake 通过生成本地构建文件（如 Makefile、Visual Studio 项目）简化软件构建。
它似乎可能支持多种平台，包括 Windows、Linux 和 macOS，适合复杂项目。
存在争议，部分开发者认为其脚本语言学习曲线较陡，但社区支持广泛。

CMake 构建系统概述

什么是 CMake？
CMake 是一种跨平台构建系统生成工具，最初于 2000 年由 Kitware 公司开发，旨在解决传统构建工具（如 Make 和 autoconf）在跨平台上的局限性。它不直接编译代码，而是生成本地平台的构建文件（如 Makefile、Visual Studio 项目文件、Ninja 脚本等），方便在不同操作系统（如 Windows、Linux、macOS）上构建软件。CMake 的核心是 CMakeLists.txt 文件，用于描述项目的结构、源文件和构建设置。

如何工作？
CMake 的工作流程分为两步：

配置阶段：运行 cmake 命令，解析 CMakeLists.txt，生成适合目标平台的构建文件。
构建阶段：使用生成的构建文件（如 make 或 Visual Studio）编译和链接代码。
它支持出源构建，将构建文件存储在独立目录（如 build/），避免污染源代码目录。

使用方法
使用 CMake 需要：

创建 CMakeLists.txt，定义项目信息和目标。例如：

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.0)
project(myApp VERSION 1.0 DESCRIPTION "一个简单的 CMake 示例" LANGUAGES CXX)
add_executable(myApp src/main.cpp)
target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20)

在构建目录运行 cmake .. 生成文件，然后用 cmake --build . 构建项目。

优势
CMake 因其跨平台能力、依赖管理能力和社区支持而受欢迎。相比其他工具：

比 Make 更强大，自动处理依赖；
比 Autotools 更简单，Windows 支持更好；
比 SCons 更快，比 Premake 错误报告更清晰。

详细调研笔记：CMake 构建系统的来龙去脉

CMake 构建系统是现代软件开发中不可或缺的工具，尤其在 C++ 项目中占据主导地位。以下是其定义、历史、工作原理、关键特性、使用方法和优势的详细分析，旨在为读者提供全面的理解。

1. 定义与背景

CMake 是一种跨平台的构建系统生成工具（meta-build system），由 Kitware 公司于 2000 年开发，最初是为了支持 Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) 的多平台构建。它的核心目标是解决传统构建工具（如 Make 和 autoconf）在跨平台上的局限性，例如 Make 文件高度依赖平台，Windows 上需要额外的工具（如 nmake），而 autoconf 生成的脚本复杂且难以维护。

CMake 的工作方式是通过解析 CMakeLists.txt 文件，生成本地平台的构建文件（如 Unix 的 Makefile、Windows 的 Visual Studio 项目文件、Ninja 构建脚本等），然后由这些本地工具实际执行构建。它的设计理念是“一次编写，处处构建”，适合从简单项目到复杂大型项目的构建需求。

2. 历史与发展

CMake 的开发始于 1999 年，受到美国国家医学图书馆资助，旨在支持 Visible Human Project 下的 ITK 项目。2000 年，CMake 1.0 正式发布，初期功能包括依赖主机 C++ 编译器、生成 Visual Studio 和 Unix makefiles、支持构建程序、静态库和共享库等。

早期发展（2000-2010）：
- CMake 1.0 发布，支持基本的项目定义和源文件管理。
- 2006 年，CMake 2.0 发布，引入条件构建（if 语句）、变量管理和宏定义，增强灵活性。
- 被更多项目采用，如 Visualization Toolkit (VTK) 和 ITK，功能扩展到更多平台。
中期发展（2010-2014）：
- 2010 年，CMake 2.8 发布，引入对外部库的自动检测（如 find_package），简化依赖管理。
- 2014 年，CMake 3.0 发布，标志着“现代 CMake”的开始，强调使用目标（targets）和属性（properties）取代全局变量。这使得 CMakeLists.txt 的编写更加模块化和可维护。
现代发展（2014-至今）：
- 2016 年，CMake 3.7 引入对 C++ 标准库的自动链接，进一步简化 C++ 项目构建。
- 2020 年，CMake 3.18 引入对 C++ 模块的支持，增强代码依赖管理。
- 截至 2025 年 6 月 14 日，CMake 4.0 发布，支持替代项目文件名，方便开发者过渡。

以下表格总结了 CMake 的主要发展里程碑：

年份	版本	主要变化
2000	1.0	基本项目定义和源文件管理，支持跨平台构建。
2006	2.0	引入条件构建、变量管理和宏定义，增强灵活性。
2010	2.8	支持外部库自动检测（如 find_package）。
2014	3.0	强调目标和属性管理，现代 CMake 开始。
2016	3.7	支持 C++ 标准库自动链接，简化 C++ 项目构建。
2020	3.18	引入 C++ 模块支持，增强代码依赖管理。
2022	4.0	支持替代项目文件名，方便开发者过渡。

3. 工作原理

CMake 的工作流程分为两个阶段：

配置阶段：
- 用户运行 cmake <source_dir> 命令，CMake 解析 CMakeLists.txt，根据指定的生成器（如 Unix Makefiles、Ninja）生成本地平台的构建文件。
- 支持出源构建，用户可以在源目录外创建构建目录（如 build/），运行 cmake .. 生成文件。
构建阶段：
- 使用生成的构建文件调用本地构建工具。例如，生成 Makefile 后，可以运行 make 或 cmake --build . 编译和链接代码。
- CMake 确保依赖关系正确，自动处理增量构建（只重新构建发生变化的部分）。
关键文件：CMakeLists.txt：
- CMakeLists.txt 是 CMake 的核心配置文件，包含项目信息、源文件列表、构建目标和依赖管理。
- 示例：
```
cmake_minimum_required(VERSION 3.0.0)
project(myApp VERSION 1.0 DESCRIPTION "一个简单的 CMake 示例" LANGUAGES CXX)
add_executable(myApp src/main.cpp)
target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20)
```
- 支持分层结构，根目录的 CMakeLists.txt 可以包含子目录的 CMakeLists.txt，反映项目目录结构。

4. 关键特性

CMake 的功能强大，涵盖以下方面：

跨平台支持：
- 支持生成多种平台的构建文件，包括 Windows（Visual Studio、NMake）、Linux（Make、Ninja）、macOS（Xcode）、iOS、Android 等。
- 通过单套 CMakeLists.txt 文件实现跨平台构建。
生成器（Generators）：
- 支持多种生成器，如 Unix Makefiles、Ninja、Visual Studio、Xcode、Eclipse CDT 等。
- 用户可以通过 -G 选项指定生成器，例如 cmake -G "Unix Makefiles" ..。
构建目标（Targets）：
- 支持定义可执行文件（add_executable）、静态库（add_library STATIC）、共享库（add_library SHARED）等。
- 现代 CMake 强调使用目标属性（如 target_compile_options、target_link_libraries）而非全局变量。
依赖管理：
- 通过 find_package 查找系统库或外部依赖，通过 FetchContent 下载和构建依赖。
- 自动处理依赖关系，确保下游组件在源文件变化时重新构建。
条件构建：
- 使用 if、elseif、else 等命令支持根据平台、编译器或用户选项进行条件构建。
- 示例：
```
if(WIN32)target_compile_options(myApp PRIVATE /W4)
else()target_compile_options(myApp PRIVATE -Wall -Wextra)
endif()
```
模块化和可维护性：
- 现代 CMake（从 3.0 开始）建议使用目标和属性，而不是全局变量（如 CMAKE_CXX_FLAGS），提高模块化。
- 示例：target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20) 设置 C++ 标准。
包管理（Packaging）：
- 通过 CPack 工具支持生成安装包（如 .deb、.rpm、.msi），便于分发。
IDE 支持：
- 可以生成 IDE 项目文件，如 Visual Studio 解决方案、Xcode 项目文件、Eclipse 项目文件等。
其他特性：
- 支持预编译头（从 3.6 开始）、C++ 模块（从 3.28 开始）、JSON 数据提取（从 3.19 开始）。

5. 使用方法

使用 CMake 构建项目通常涉及以下步骤：

创建 CMakeLists.txt：

在项目根目录创建 CMakeLists.txt，定义项目信息、源文件和构建目标。

示例：

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.0)
project(myApp VERSION 1.0 DESCRIPTION "一个简单的 CMake 示例" LANGUAGES CXX)
add_executable(myApp src/main.cpp)
target_compile_features(myApp PRIVATE cxx_std_20)

创建构建目录：
- 创建独立构建目录（如 build/），支持出源构建。
运行 CMake：
- 在构建目录运行 cmake .. 生成构建文件。
- 可通过 -G 指定生成器，例如 cmake -G "Unix Makefiles" ..。
构建项目：
- 使用 cmake --build . 或调用本地工具（如 make）构建项目。
安装（可选）：
- 如果定义了安装规则，可运行 cmake --install . 安装项目。
基本命令：
- cmake_minimum_required(VERSION <version>)：指定所需 CMake 版本。
- project(<name> VERSION <version> DESCRIPTION "<desc>" LANGUAGES <lang>)：定义项目。
- add_executable(<name> <source_files>)：创建可执行文件。
- add_library(<name> STATIC|SHARED <source_files>)：创建库。
- target_compile_features(<target> PRIVATE <feature>)：设置编译特征。
- target_compile_options(<target> PRIVATE <options>)：设置编译选项。
- find_package(<package>)：查找外部库。
- option(<var> "<desc>" [value])：定义可选变量。

6. 优势与与其他构建系统的比较

CMake 的优势使其在现代软件开发中备受青睐：

跨平台能力：
- 支持从桌面到移动设备（iOS、Android）再到高性能计算系统的多平台构建。
高效和灵活：
- 自动处理依赖关系，确保只重新构建必要的部分。
- 支持复杂的条件构建和模块化配置。
与其他构建系统的比较：
- 与 Make 比较：CMake 自动处理依赖关系，而 Make 需要手动维护，适合更复杂的项目。
- 与 Autotools 比较：Autotools 在 Windows 上表现不佳，而 CMake 更易于跨平台使用。
- 与 SCons 比较：SCons 速度较慢，而 CMake 更高效。
- 与 Premake 比较：Premake 的错误报告较差，而 CMake 提供更清晰的错误信息。
- 与 Ninja 比较：Ninja 是快速构建工具，但需要 CMake 等高层工具生成输入。
- 与 Meson 比较：Meson 专注于速度，但 CMake 在平台支持（如 iOS、Android）上更全面。
社区和生态：
- CMake 是 C++ 项目的 de-facto 标准，拥有庞大的用户社区和丰富的资源。
- 被广泛用于开源项目（如 Android NDK、Boost、KDE）和商业软件（如 Netflix、MySQL）。

7. 总结

CMake 构建系统是现代软件开发中不可或缺的工具，尤其在 C++ 项目中。它通过生成本地平台的构建文件，实现了跨平台的软件构建，同时提供了强大的依赖管理、条件构建和模块化配置能力。CMake 的发展历程从 2000 年至今，经历了从简单项目支持到复杂大型项目的演变，尤其在 2014 年后的“现代 CMake”阶段，强调了目标和属性的使用，提高了构建脚本的可读性和可维护性。

对于开发者来说，掌握 CMake 是高效管理跨平台项目的关键。通过简单的 CMakeLists.txt 文件，开发者可以轻松定义项目结构、构建目标和依赖关系，从而在不同平台上高效地构建软件。