來源：公衆號【很酷的程序員/RealCoolEngineer】
CMake和編譯的過程是有對應關係的，理解了編譯構建的過程，可以更加理解CMake的相關命令；理解其目的和用途，自然也就可以更好地運用CMake。
在最近的CMake系列文章中，有小夥伴在實踐使用的時候還是比較困惑，溝通之後瞭解到可能有的同學並不是計算機專業，對於編譯原理、編譯的過程可能並沒有很瞭解，所以筆者寫了一篇文章：GCC編譯過程概述，對GCC編譯的過程做了一個概述。
本文作爲這篇文章的姊妹篇，依舊以GCC爲例，在對GCC編譯過程有一定了解的基礎上，來進一步理解CMake如何通過CMakeLists.txt定義項目的編譯構建過程。
一 編譯構建的框架
在GCC編譯過程概述一文中，主要介紹了源文件如何編譯成機器碼.o文件，以及最後鏈接器怎麼鏈接相關庫文件得到最後的可執行文件。
其實，對於構建的每一個目標，都是樹形的結構，以本系列的開源項目https://gitee.com/RealCoolEngineer/cmake-template爲例(當前commit id: ca0e593)，構建目標、源文件/.o文件和.a文件之間構成一棵"構建樹"（Build Tree）：
對於最終的可執行文件(demo)來說，必須能夠找到所有需要的函數的實現，這些實現可能包含在單個.o文件（demo.o，crtn.o等等）、或者打包好的庫文件（其實就是.o文件的集合，比如libmath.a，libm.a），所以它會是構建樹的根。
對於一些庫文件（模塊）來說，它可以是最終可執行文件構建樹的子樹，也有對應的構建產物(比如這裏的libmath.a)。
而對於構建樹的葉子節點，其實都對應到具體的源文件，只是說有時候是預編譯好的第三方庫或者系統庫。而源文件如果開源，開發者可以選擇自己從源碼編譯（比如這個項目中的gtest，就是從源碼編譯出來的，在單元測試可執行文件的構建樹裏，葉子節點就是gtest開源的源碼）。
在CMake官網有關於Build Tree的定義，可以查看鏈接：https://cmake.org/cmake/help/latest/manual/cmake.1.html#introduction-to-cmake-buildsystems
注意重在理解其含義而非形式
二 GCC編譯過程和CMake命令之間的關聯
GCC的編譯的具體過程其實是通過gcc命令的參數進行控制的，這些參數的作用就和CMake的命令有對應的關係。
在GCC編譯過程概述文中，介紹了gcc命令的常用參數（下面補充了-D和-O）：
| 參數 | 含義 |
|---|---|
| -o | 指定輸出文件路徑 |
| -D | 定義預處理宏，格式爲"-D <macro>=<value>" |
| -E | 只對源文件進行預處理，輸出.i文件 |
| -S | 對源文件進行預處理、編譯，輸出.s文件 |
| -c | 對源文件進行預處理、編譯、彙編，輸出.o文件 |
| -I | 大寫的i，包含頭文件路徑，如 gcc -Ireal/cool/include/ |
| -L | 大寫的l，鏈接庫文件路徑，如 gcc -Lreal/cool/lib/ |
| -l | 小寫的l，鏈接庫文件，如鏈接librealcool.a：gcc -lrealcool |
| -fPIC | 生成位置無關代碼(position-independent code) |
| -Wall | 對代碼所有可能有問題的地方發出警告 |
| -g | 在目標文件中嵌入調試信息，便於gdb調試 |
| -O0 | 代碼優化等級，-O0表示不進行優化，-O3表示最高優化 |
GCC的編譯過程大概是：
-
預處理：將源文件處理爲.ii/.i，處理各種預處理指令，如
#include、#ifdef、#if等等，同時也會清除註釋； -
編譯：將
.ii/.i處理爲.S/.asm，即機器語言的彙編文件； -
彙編：將
.asm/.S處理爲.o，把彙編文件變成機器碼； -
鏈接：將各種依賴的靜態/動態庫文件、
.o文件、啓動文件鏈接成最終的可執行文件或者共享庫文件。
其實gcc命令的參數是針對不同的編譯階段的，下面分階段介紹gcc參數和CMake命令的對應關係。
1 預處理
在預處理階段，主要處理各種宏，開發的過程中往往會通過#ifdef來判斷是否定義了對應的宏，來靈活地切換不同代碼，比如：
#ifdef UPPER_CASE
#define name "REAL_COOL_ENGINEER"
#else
#define name "real_cool_engineer"
這個時候，如果需要使用大寫的版本，就可以使用gcc的-D參數：
gcc -DUPPER_CASE ...
而在CMake中，可以使用命令：
add_definitions(-DUPPER_CASE)
2 編譯
在編譯的時候，需要把源文件處理成機器代碼，主要有兩個方面：
- 對於源文件裏面的代碼具體怎樣進行編譯
- 源文件內部調用的外部函數怎麼查找
對於第一點，就是各種編譯選項，有很多類型：
- 編譯警告選項，比如
-Wall、-Wextra - 代碼優化選項，比如：
-O0、-Ofast - 調試選項，比如：
-g、-fvar-tracking - 預處理選項，比如：
-M、-MP - 代碼生成選項，比如：
-fPIC、-fPIE - 等等，還有針對不同語言特有的選項
所有的選項在GNU GCC官網上有詳細的介紹，參見：Option-Summary。
對於第二點，在源文件內部，調用的外部函數是在頭文件中聲明的，所以通過#include的頭文件編譯器必須能夠找到，這個時候需要使用-I參數指定頭文件的查找路徑，以確保編譯器可以找到源文件所使用的頭文件。
在使用gcc命令時，選項直接作爲參數傳遞即可，比如：
gcc -c xxx.c -Os -g -Wall -Wextra -pedantic -Werror -o xxx.o -Isrc/c
那麼在CMake中，可以：
- 使用
add_compile_options命令指定編譯選項 - 使用
include_directories命令指定頭文件搜索路徑
因此上面的gcc命令的效果等同於：
add_compile_options(-Os -g -Wall -Wextra -pedantic -Werror)
include_directories(src/c)
add_library(xxx STATIC xxx.c)
需要注意的是，因爲CMake的構建目標必須是庫或者可執行文件，所以並沒有命令僅生成.o文件，所以這裏使用add_library代替。
3 鏈接
鏈接需要做的就是把最終目標依賴的東西都組裝起來。
對於這裏的可執行文件來說，先從demo.o的main函數開始，鏈接整個程序執行過程中需要的所有函數的實現；不同實現可能在不同的.o文件或者庫文件內，通過頭文件聲明的函數名，在.o和.a文件裏面查找需要的實現；如果找不到，就會引發一個鏈接錯誤。
對於項目內部的構建目標庫文件及其他的.o文件，在鏈接的時候直接使用即可，而對於外部的第三方庫或者系統的庫文件，則需要使用-L和-l參數來告知鏈接器。
和編譯一樣的，除了-L和-l，鏈接器也還有很多其他參數`比如：
-pie -pthread -r -s -static -static-pie
詳細的參數介紹詳見：Link-Options。
對應地，CMake對應可以使用的命令爲：
- 對於
-L，使用link_directories或者target_link_directories命令 - 對於
-l，使用link_libraries或者target_link_libraries命令 - 指定鏈接器的選項，使用
add_link_options或者target_link_options命令
上述命令中，以
target_開頭的是針對特定的目標進行設置，否則是針對所有的目標。
假設目標程序使用了外部庫文件/usr/lib/libmath.a就可以使用命令：
gcc demo.c -L/usr/lib -lmath -pthread
對應地，CMake使用的命令應該是：
add_link_options(-pthread)
add_executable(demo demo.c)
link_directories(/usr/lib)
target_link_libraries(demo math)
三 總結
最後，使用一個表格總結一下本文的核心內容。
GCC編譯過程使用的gcc參數和CMake命令之間的對應關係表：
| gcc 參數 | CMake 命令 | 含義 |
|---|---|---|
| -D | add_definitions | 設置預編譯宏 |
| 編譯器選項 | add_compile_options | 設置編譯器的選項，控制編譯行爲 |
| -I | include_directories | 設置頭文件搜索路徑 |
| -L | link_directories/target_link_directories | 指定鏈接器搜索庫文件的路徑 |
| -l | link_libraries/target_link_libraries | 指定要鏈接的庫文件 |
| 鏈接器選項 | add_link_options/target_link_options | 指定鏈接器的鏈接選項 |
Enjoy CMake！