Hello C++

外观

CMake 基础：编译可执行文件 ​

简介 ​

在 Windows 下可以使用 Visual Studio 来构建一个 C++ 项目，但是在 Linux 下，通常使用 CMake 生成 Makefile 来构建项目。

要学习 CMake，首先需要了解 CMake 的基本语法，然后通过一个简单的示例来学习如何使用 CMake 来构建一个 C++ 项目，生成一个 Linux 下的可执行文件。

项目结构 ​

一个 CMake 项目结构可以如下

bash
.
├── demo
│   ├── CMakeLists.txt
│   └── hello-world
│       ├── CMakeLists.txt
│       └── hello-world.cpp
└─CMakeLists.txt

在此，需要做一些约定，但这不是必须的，应该根据项目需要进行目录构建。

在这里，我们约定 demo 目录下存放所有的示例程序，例如在本 demo 中的程序是 hello-world ，因此源文件存放在 demo/hello-world 下，包含 hello-world.cpp 文件。

可能会疑问，为什么主程序不是 main.cpp ，而是 hello-world.cpp 。一方面是为了改变大家的刻板印象，因为大多数教程都是 main.cpp ，另一方面是为了说明，源文件的名称并不是固定的，可以随意命名，只要在 CMakeLists.txt 中指定即可。

编写源文件 ​

入门地，我们先编写一个简单的 hello-world.cpp 文件，内容如下

cpp
#include <iostream>
#include <string>
int main(int argc, char* argv[]) {
    std::string name = (argc == 2) ? argv[1] : "Cpp";
    if (argc > 2) {
        std::cout << "Usage: " << argv[0] << " [name]" << std::endl;
        return -1;
    }
    std::cout << "Hello " << name << std::endl;
    return 0;
}

程序的入口是 main 函数，它接受两个参数：argc 和 argv[]。argc 表示命令行参数的数量， argv 是一个字符指针数组，包含了实际的参数值。其中，argv[0] 是程序的名称，argv[1] 是第一个参数，以此类推。

因此，我们可以通过 argc 和 argv[] 来判断是否有参数传入，如果有参数传入，则输出参数值，否则输出默认值 Cpp。

简单的命令行参数可以使用上述方法，但是对于复杂的命令行参数，可以使用 CLI11(依赖C++11)、argparse(依赖C++17)、gfalgs、getopt 或者 boost::program_options(依赖 boost) 等库来处理。

使用 CMake 构建项目 ​

根目录 CMakeLists.txt ​

根目录下的 CMakeLists.txt 为整个项目做一些基本配置，包括项目所需CMake最低版本、项目名称、编译器等，文件内容如下

cmake
# CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.10 FATAL_ERROR)
project(hello-cpp) 
add_subdirectory(demo)

cmake_minimum_required 规定构建当前项目的所需CMake的最低版本，当构建项目使用的CMake不满足做个最低版本要求，则会出现报错，添加 FATAL_ERROR 则在不满足条件的情况下产生致命报错

cmake
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
cmake_minimum_required(VERSION 3.10 FATAL_ERROR)

CMake语法不区分大小写（即 cmake_minimum_required 与 CMAKE_MINIMUN_REQUIRED 是一样的），但是参数区分大小写的

project 声明项目名称(hello-cpp)，该语句必须在设置编译器后面，同时也可以添加参数 LANGUAGES 来显式声明项目的编程语言

cmake
project(hello-cpp)
project(hello-cpp LANGUAGES CXX)

CXX代表C++，C++是CMake默认的编程语言

完成对整个项目的基本配置，我们就可以添加子目录 add_subdirectory 来进行编译，我们添加子目录 demo 来编译可执行文件

cmake
add_subdirectory(demo)

在这条语句之后，构建系统会在 demo 目录下寻找 CMakeLists.txt 文件，然后执行 demo/CMakeLists.txt 中的内容。

扩展根目录 CMakeLists.txt ​

上述一小节中的 CMakeLists.txt 只是对项目做了基本配置，但是可以对项目做更多配置，例如设置编译器、编译选项、链接选项等

可以在 CMakeLists.txt 中选择编译器、设置编译器的标准，并且导出编译命令生成 compile_commands.json 文件

cmake
cmake_minimum_required(VERSION 3.10 FATAL_ERROR)
# 设置编译器
set(CMAKE_C_COMPILER /usr/bin/gcc)
set(CMAKE_CXX_COMPILER /usr/bin/g++)
# 设置 C++ 标准为 C++11
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
# 导出编译命令
set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
# C++ 编译选项
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -Wall -Wextra -Werror")
project(hello-cpp) # 必须在设置编译器后面
add_subdirectory(demo)

compile_commands.json 文件是一个 JSON 文件，包含了编译器的编译命令，可以结合 clangd 工具链来进行代码补全、语法检查等。

demo 目录 CMakeLists.txt ​

demo/CMakeLists.txt 文件就比较简单了，仅仅用于组织程序，文件内容如下

cmake
# demo/CMakeLists.txt
add_subdirectory(hello-world)

在随后更多的示例中，我们会在 demo 目录下添加更多的示例程序，因此在 demo/CMakeLists.txt 中添加 add_subdirectory 来编译更多的示例程序，可以注释掉不需要的示例程序，只编译需要的示例程序。

hello-world 目录 CMakeLists.txt ​

demo/hello-world/CMakeLists.txt 文件用于配置编译可执行文件，文件内容如下

cmake
# demo/hello-world/CMakeLists.txt
# 包含目录
include_directories(${PROJECT_SOURCE_DIR}/include)

# 添加可执行文件 hello-world
add_executable(hello-world hello-world.cpp)

# 定义安装规则
install(TARGETS hello-world DESTINATION bin)

# 定义 uninstall 目标
include(GNUInstallDirs)

add_custom_target(uninstall
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E echo "Uninstalling..."
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove -f "${CMAKE_INSTALL_PREFIX}/bin/hello-world"
    # 你可以添加更多的 remove 命令来删除其他安装的文件
)

该文件较为重要，因此在随后的部分中会详细介绍。

配置编译可执行文件 ​

引入头文件 ​

demo/hello-world/CMakeLists.txt 文件中，首先是包含目录 include_directories，这里我们没有包含任何头文件，因此可以省略

cmake
include_directories(${PROJECT_SOURCE_DIR}/include)

添加可执行文件 ​

add_executable 用于添加可执行文件，文件名为 hello-world，源文件为 hello-world.cpp

cmake
add_executable(hello-world hello-world.cpp)

如果有多个源文件，可以通过 add_executable 来添加多个源文件，例如

cmake
add_executable(hello-world hello-world.cpp other.cpp)

但是需要确保 hello-world.cpp 和 other.cpp 中的 main 函数只有一个，否则会出现重复定义的错误。

定义安装规则 ​

install 用于定义安装规则，将可执行文件 hello-world 安装到 bin 目录下

cmake
install(TARGETS hello-world DESTINATION bin)

当然也可以写成另一种方式便于理解

cmake
install(TARGETS     hello-world 
        DESTINATION bin
)
  • TARGETS 指定要安装的目标，TARGETS hello-world 表示安装 hello-world 可执行文件
  • DESTINATION 指定安装路径，DESTINATION bin 表示安装到 bin 目录下。该路径应该是一个相对路径，相对于 CMAKE_INSTALL_PREFIX 的路径
  • CMAKE_INSTALL_PREFIX 是安装目录，默认是 /usr/local
  • 可以通过 cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/path/to/install 来指定安装目录
  • 如果不在外部指定的情况下，会安装到系统默认的安装目录，通常是 /usr/local/bin 下；如果指定了安装目录，那么会安装到 /path/to/install/bin 下

安装命令 install 的细节在此不展开

定义 uninstall 目标 ​

add_custom_target 用于定义自定义目标，这里定义了 uninstall 目标，用于卸载安装的文件

cmake
add_custom_target(uninstall
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E echo "Uninstalling..."
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove -f "${CMAKE_INSTALL_PREFIX}/bin/hello-world"
)

构建项目 ​

编写完项目的全部 CMakeLists.txt 文件后，接下来就是如何构建项目了。

CMake 是一个跨平台构建系统生成器 (cross-platform build system generator)，CMake 本身并不直接构建项目，而是根据用户提供的配置文件(CMakeLists.txt)，生成适合不同构建工具（Unix Makefile、Ninja、Visual Studio等）的构建文件，然后使用构建工具来构建项目。

「构建文件」描述构建系统应当如何操作才能编译代码，例如 Makefile、build.ninja、.sln 等文件

不同系统平台下有默认的构建工具，例如：

  • GNU/Linux 和 macOS 系统上，Unix Makefile 是默认的生成器
  • Windows上，Visual Studio 是默认的生成器
  • Windows上，可以安装 MinGW 来使用 MinGW Makefiles

使用 CMake 配置项目并生成构建器 (generator) ，可以通过 cmake -h 查看可用的生成器（* 标记的是默认生成器）:

bash
cmake -h
# Generators
# The following generators are available on this platform (* marks default):
# * Unix Makefiles               = Generates standard UNIX makefiles.
#   Ninja                        = Generates build.ninja files.
# ...

一般的生成构建文件流程是，首先新建一个目录 build ，在 build 目录下，通过指定上级目录的 CMakeLists.txt 来调用 CMake 配置项目并生成构建器

bash
mkdir -p build && cd build
cmake ..            # CMakeLists.txt 在上级目录
cmake .. -G "Ninja" # 或指定平台可用的生成器

可以直接在项目根目录下中执行 cmake . 构建构建，这是源代码内构建，但是这种做法会在根目录（源代码目录）下生成配置文件，会将源代码和项目的生成树混合，这是非常不推荐的。因此，一般来说，需要在源代码外构建项目，即在源代码目录外新建一个目录 build ，并在 build 目录下构建项目。

当出现如下输出，则已经成功配置项目(Configuring done)，并且生成了构建文件(Generating done)

bash
-- Configuring done
-- Generating done

你可以在 build 目录下，看到下列文件（这里以 Unix Makefile 为例）：

bash
build
├── CMakeCache.txt
├── CMakeFiles
├── cmake_install.cmake
├── compile_commands.json
├── demo
│   ├── CMakeFiles
│   ├── cmake_install.cmake
│   ├── hello-world
│   │   ├── CMakeFiles
│   │   ├── cmake_install.cmake
│   │   └── Makefile
│   └── Makefile
└── Makefile

可以看到 build 目录的结构和源代码结构是一样的，每一个 CMakeLists.txt 文件都会生成一个对应的 Makefile 和 CMakeFiles 目录，用于编译项目，还有一些其他文件：

  • Makefile : 命令 make 将运行指令来编译项目。
  • CMakefiles ：临时文件目录，CMake用于检测操作系统、编译器等。
  • CMakeCache.txt ：如文件名所示，CMake缓存。CMake在重新运行配置时使用这个文件，如果重新配置项目，会生成新的 CMakeCache.txt 文件。
  • cmake_install.cmake ：处理安装规则的CMake脚本，在项目安装时使用。
  • compile_commands.json ：编译命令文件，用于 clangd 工具链。

编译项目 ​

随后就可以开始编译可执行文件

bash
make
# or
cmake --build .

你可以在 build 目录下，看到下列文件：

bash
build
├── CMakeCache.txt
├── CMakeFiles
├── cmake_install.cmake
├── compile_commands.json
├── demo
│   ├── CMakeFiles
│   ├── cmake_install.cmake
│   ├── hello-world
│   │   ├── CMakeFiles
│   │   ├── cmake_install.cmake
│   │   ├── hello-world
│   │   └── Makefile
│   └── Makefile
└── Makefile

编译后就可以看到生成的可执行文件 demo/hello-world/hello-world，可以直接执行，但是这种目录中的可执行文件不太方便，可以通过 make install 安装到指定目录下

bash
make install

安装后，可执行文件会被安装到 /usr/local/bin 目录下，可以直接执行

bash
hello-world

或切换到 /usr/local/bin 目录下执行

bash
cd /usr/local/bin
./hello-world

如果不希望安装到 /usr/local/bin 目录下，可以通过 -DCMAKE_INSTALL_PREFIX 来指定安装目录

bash
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=.. ..
make install

然后可以在 ../bin 目录下执行

bash
# 这时候的目录是在 build 目录下，因此需要返回上级目录
cd ../bin
./hello-world

clangd 的使用 ​

clangd 是一个基于 Clang 的 C++ 语言服务器，可以用于代码补全、语法检查等。 clangd 支持的特性可以参考文档 Features

在上述 demo 中，我们已经生成了 compile_commands.json 文件，可以使用 clangd 来进行代码补全、语法检查等。

首先安装 clangd （容器中已经安装了 clangd）

bash
apt install clangd

VSCode 对 clangd 的支持很好，可以安装 clangd 插件以启用 clangd

TIP

  • clangd 插件和 C/C++ 插件是冲突的，因此在安装 clangd 插件时，需要禁用 C/C++ 插件。

下列是一些常用的配置选项，添加到 .vscode/settings.json 文件的 clangd.arguments 列表中

json
{
    "clangd.arguments": [
        "--clang-tidy", // 开启clang-tidy
        "--clang-tidy-checks=performance-*,bugprone-*",
        "--j=4", // 后台线程数，可根据机器配置自行调整
        "--query-driver=/usr/bin/clang++",
        "--all-scopes-completion", // 全代码库补全
        "--completion-style=detailed", // 详细补全
        "--header-insertion=iwyu",
        "--pch-storage=disk", // 如果内存够大可以关闭这个选项
        "--log=error",
        "--background-index"
    ]
}

上述的配置可以根据自己的需求来配置

  • "--compile-commands-dir=build" 选项指定 compile_commands.json 文件的目录。如果在根目录 $SRC 或 $SRC/build 下，clangd 会自动查找，因此可以省略

如果 clangd 没有默认安装在系统位置，可以通过 clangd.path 来指定 clangd 的路径

json
{
    "clangd.path": "/path/to/clangd"
}

此外，C/C++ 插件也可以支持 C/C++ 代码补全、语法检查等，需要配置 .vscode/c_cpp_properties.json 文件，但是 clangd 更加强大，因此推荐使用 clangd 插件。

点击查看 .vscode/c_cpp_properties.json 配置参考
json
{
    "env": {
        "INSTALL_DIR": "/Users/henryzhu/program"
    },
    "configurations": [
        {
            "name": "Mac",
            "includePath": [
                "${env:INSTALL_DIR}/opencv-4.5.5/include/opencv4",
                "${workspaceFolder}/include"
            ],
            "defines": [],
            "compilerPath": "/usr/bin/clang",
            "cStandard": "c17",
            "cppStandard": "c++17",
            "intelliSenseMode": "linux-clang-arm64",
            "configurationProvider": "ms-vscode.cmake-tools"
        }
    ],
    "version": 4
}