Linux开发工具03：使用GCC、make和CMake编译代码

写在前面

这里主要记录一下如何使用GCC、make和CMake编译代码；

一、GCC

g++是GCC下专门用于编译C++项目的编译器；
假设目录结构如下：
- include：包含分离的.h和.cpp文件；
- src：包含主函数入口main.cpp；

参考：
- http://c.biancheng.net/view/7936.html；
- gcc/g++常用编译选项和gdb常用调试命令；

1. gcc和g++的区别

GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器集合）中，
- 包含了许多编译器，可以编译包括C、C++、Java等语言；
- gcc是GCC中的C编译器；
- g++是GCC中的C++编译器；
区别：
- (1) 编译语言：
  - gcc只能编译C语言；
  - g++可以编译C语言和C++语言；
- (2) 对待.c和.cpp文件的处理：
  - gcc会分别处理两种文件，如果.cpp中只有C语法（最好是仅有用extern "C"包含的代码），则gcc也是可以编译的，但不建议；
  - g++会都当作.cpp文件处理；
- (3) C++链接库：
  - gcc不会自动链接C++标准库，需要手动加-libstdc++；
  - g++会自动链接C++标准库；
- (4) 对C++特有功能的支持：
  - gcc不支持编译类、多态等C++特性；
  - g++支持C++的所有功能；

2. 使用

2.1 直接编译

主函数如下：
- 引用的头文件需要显示给出完整的相对路径；

#include <iostream>

#include "../include/add.h"
#include "../include/minus.h"

int main()
{
	std::cout << "Hello world!" << std::endl;
	std::cout << add(2, 3) << std::endl;
	std::cout << minus(2, 3) << std::endl;
	return 0;
}

则使用G++编译代码如下：
- 所有使用的.cpp都需要显式给出；
- 所有的.cpp都需要给出完整的查找路径；

# 进入main.cpp所在的src目录
cd xxx/src
# 指明所有的.cpp的路径
g++ main.cpp ../include/add.cpp ../include/minus.cpp -o main

编译的过程如下：
- 将所有的.cpp编译成.o文件；
- 通过在系统的头文件搜索路径中搜索和main.cpp中的#include说明，将对应的同名的.o链接到main中；
- 最后生成输出main；
不足：
- (1) 代码main.cpp中需要显式给出所有使用库的相对路径；
  - 一旦修改了库的位置，则源代码也需要对应修改；
  - 可以在编译时添加头文件搜索路径来避免这个问题；
- (2) 编译命令中需要显式给出所有使用的.cpp文件的相对路径；
  - 如果使用了许多头文件，则所有涉及到的.cpp都需要写，而且相对路径必须给出，所以写法上很繁琐；
  - 可以使用的.cpp文件打包成静态库来避免这个问题；

2.2 使用头文件搜索编译

主函数如下：
- 引用的头文件不需要显式给出完整的相对路径；

#include <iostream>

#include "add.h"
#include "minus.h"

int main()
{
	std::cout << "Hello world!" << std::endl;
	std::cout << add(2, 3) << std::endl;
	std::cout << minus(2, 3) << std::endl;
	return 0;
}

则使用G++编译代码如下：
- 所有使用的.cpp都需要显式给出；
- 所有的.cpp都需要给出完整的查找路径；

# 进入main.cpp所在的src目录
cd xxx/src
# -I用于将头文件所在的目录添加到编译器的搜索路径
# -I后面没有空格，直接跟需要添加的头文件搜索路径
g++ -I../include main.cpp ../include/add.cpp ../include/minus.cpp -o main

编译的过程如下：
- 将所有的.cpp编译成.o文件；
- 通过在系统的头文件搜索路径和添加的头文件搜索目录中搜索，将对应的同名的.o链接到main中；
- 最后生成输出main；

2.3 使用静态库编译

首先在include文件夹中将.cpp文件编译成一个静态库；

# 进入include文件夹
cd xxx/include
# 为每个.cpp文件编译.o文件
g++ -c add.cpp minus.cpp
# 打包成静态库libmath.a
ar rcs libmath.a add.o minus.o

然后就可以在编译时使用静态库了：

# 进入main.cpp所在的src目录
cd xxx/src
# 用静态库代替.cpp文件
g++ -I../include main.cpp ../include/libmath.a -o main

注意：
- 静态库中仅包含.cpp文件；
- 也就是说，如果要令整个库可以迁移的话，还是要加上头文件一起打包的；
- 头文件是做指引，静态库（或者说.o文件）是做实际的链接，它们的功能是互斥的；

2.4 设置构建级别编译

默认使用RELEASE级别构建；
添加-g参数可以使用DEBUG级别构建；
- 如果需要使用gdb调试则需要用该级别构建；
此外，还有代码的优化级别，可以搭配RELEASE级别或者DEBUG级别一起使用，说明如下：

# 进入main.cpp所在的src目录
cd xxx/src
# 指明所有的.cpp的路径
g++ -g main.cpp ../include/add.cpp ../include/minus.cpp -o main

二、make

三、CMake

参考：
- CMake 入门实战；
- CMake 输出路径的设置 ,当前目录,安装拷贝集合；
- cmake-examples-Chinese；

1. 安装

sudo apt install cmake

2. 使用

一个CMakeList.txt的例子如下：
- 一些内置变量的说明可以参考官方文档：https://cmake.org/cmake/help/latest/manual/cmake-variables.7.html；

# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required(VERSION 2.8)

# 项目信息
project(项目名)

# 设置静态库文件目录
set(CMAKE_ARCHIVE_OUTPUT_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/lib)
file(MAKE_DIRECTORY ${CMAKE_ARCHIVE_OUTPUT_DIRECTORY})
# 设置动态库文件目录
set(CMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/lib)
file(MAKE_DIRECTORY ${CMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY})
# 设置可执行文件目录
set(CMAKE_RUNTIME_OUTPUT_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/bin)
file(MAKE_DIRECTORY ${CMAKE_RUNTIME_OUTPUT_DIRECTORY})
# 设置中间文件目录
set(CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/build)
file(MAKE_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR})

# 设置构建为调试模式
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)
# 根据编译器信息设置调试信息
if(CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "GNU|Clang")
    set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "${CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG} -g")
endif()

# 查找当前目录下的所有源文件，并把名称保存在DIR_SRCS变量
aux_source_directory(. DIR_SRCS)

# 指定main源文件和可执行文件名，需要放在最后，否则前面的设置不会生效
# add_executable(可执行文件名 cpp文件1 cpp文件2 ...)
add_executable(可执行文件名 ${DIR_SRCS})

使用的过程如下：

# 在CMakeList.txt目录下新建一个build文件夹
mkdir build
# 进入该文件夹
cd build
# 调用CMakeList.txt在当前目录下生成makefile及其他中间文件
cmake ..
# 执行make生成可执行文件
make

2.1 使用头文件搜索编译

项目结构如下：

项目结构

主函数如下：
- 引用的头文件不需要显式给出完整的相对路径；

#include <iostream>

#include "add.h"
#include "minus.h"

int main()
{
	std::cout << "Hello world!" << std::endl;
	std::cout << add(2, 3) << std::endl;
	std::cout << minus(2, 3) << std::endl;
	return 0;
}

CMakeLists.txt如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)

# 项目名称
project(cmake_project)

# 创建一个变量，包含所有的.cpp文件
set(SOURCES
    src/main.cpp
    include/add.cpp
    include/minus.cpp
)

# 生成可执行文件
add_executable(${PROJECT_NAME} ${SOURCES})

# 设置包含库路径
target_include_directories(${PROJECT_NAME}
    PRIVATE
        ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include
)

一些说明：
- project(cmake_project)表明当前项目名，即设置了${PROJECT_NAME}=cmake_project；
- target_include_directories为当前项目设置包含库路径，所以后面跟的第一个参数是项目的名字；
- 一些可用的CMake变量说明如下：

2.2 创建静态库并使用静态库编译

创建静态库的CMakeLists.txt如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)

# 项目名称
project(cmake_project)

# 创建一个变量，包含静态库的所有.cpp文件
set(SOURCES
    include/add.cpp
    include/minus.cpp
)

# 生成静态库
add_library(${PROJECT_NAME} ${SOURCES})

# 设置包含库路径
target_include_directories(${PROJECT_NAME}
    PUBLIC
        ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include
)

说明：
- 其实和创建可执行文件非常像，仅修改为使用add_library，就可以不创建目标文件而改为创建静态库；
- 调用cmake的方式也和创建可执行文件相同；
- 创建后的静态库也是在build文件夹中，以.a为后缀；
使用静态库进行编译的CMakeLists.txt如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)

# 项目名称
project(cmake_project)

# 创建一个变量，包含静态库的所有.cpp文件
set(SOURCES
    src/main.cpp
)

# 生成静态库
add_executable(${PROJECT_NAME} ${SOURCES})

# 设置包含库路径
target_include_directories(${PROJECT_NAME}
    PUBLIC
        ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include
)

# 设置包含静态库路径
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}
    PUBLIC
        ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include/libcmake_project.a
)

说明：
- 即使是使用静态库，头文件还是要加上的；
- 因为静态库只是.cpp文件的集合，这个在GCC一章中也有说到；
- 另外，关于PUBLIC、PRIVATE和INTERFACE的说明如下：

2.3 设置构建级别编译

这里的构建模式是指DEBUG和RELEASE之类的模式，如下：
- (1) Debug模式：
  - 用于开发和调试目的的构建级别；
  - 包含调试符号和较少优化；
  - 如果需要使用gdb调试的话，则需要使用该级别构建；
- (2) RelWithDebInfo：
  - 包含优化和调试信息的构建级别；
  - 适合进行性能分析和调试；
- (3) Release模式（默认）：
  - 用于发布和部署目的的构建级别；
  - 几乎不包含调试符号和较多的优化；
  - 使用该级别不能进行gdb调试；
- (4) MinSizeRel：
  - 最小体积和最大程度优化的构建级别；
设置构建级别的CMakeLists.txt如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)

# 项目名称
project(cmake_project)

# 创建一个变量，包含静态库的所有.cpp文件
set(SOURCES
    src/main.cpp
)

# 设置构建为调试模式
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)

# 生成静态库
add_executable(${PROJECT_NAME} ${SOURCES})

# 设置包含库路径
target_include_directories(${PROJECT_NAME}
    PUBLIC
        ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include
)

# 设置包含静态库路径
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}
    PUBLIC
        ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include/libcmake_project.a
)