来源：公众号【很酷的程序员/RealCoolEngineer】
CMake和编译的过程是有对应关系的，理解了编译构建的过程，可以更加理解CMake的相关命令；理解其目的和用途，自然也就可以更好地运用CMake。
在最近的CMake系列文章中，有小伙伴在实践使用的时候还是比较困惑，沟通之后了解到可能有的同学并不是计算机专业，对于编译原理、编译的过程可能并没有很了解，所以笔者写了一篇文章：GCC编译过程概述，对GCC编译的过程做了一个概述。
本文作为这篇文章的姊妹篇，依旧以GCC为例，在对GCC编译过程有一定了解的基础上，来进一步理解CMake如何通过CMakeLists.txt定义项目的编译构建过程。
一 编译构建的框架
在GCC编译过程概述一文中，主要介绍了源文件如何编译成机器码.o文件，以及最后链接器怎么链接相关库文件得到最后的可执行文件。
其实，对于构建的每一个目标，都是树形的结构，以本系列的开源项目https://gitee.com/RealCoolEngineer/cmake-template为例(当前commit id: ca0e593)，构建目标、源文件/.o文件和.a文件之间构成一棵"构建树"（Build Tree）：
对于最终的可执行文件(demo)来说，必须能够找到所有需要的函数的实现，这些实现可能包含在单个.o文件（demo.o，crtn.o等等）、或者打包好的库文件（其实就是.o文件的集合，比如libmath.a，libm.a），所以它会是构建树的根。
对于一些库文件（模块）来说，它可以是最终可执行文件构建树的子树，也有对应的构建产物(比如这里的libmath.a)。
而对于构建树的叶子节点，其实都对应到具体的源文件，只是说有时候是预编译好的第三方库或者系统库。而源文件如果开源，开发者可以选择自己从源码编译（比如这个项目中的gtest，就是从源码编译出来的，在单元测试可执行文件的构建树里，叶子节点就是gtest开源的源码）。
在CMake官网有关于Build Tree的定义，可以查看链接：https://cmake.org/cmake/help/latest/manual/cmake.1.html#introduction-to-cmake-buildsystems
注意重在理解其含义而非形式
二 GCC编译过程和CMake命令之间的关联
GCC的编译的具体过程其实是通过gcc命令的参数进行控制的，这些参数的作用就和CMake的命令有对应的关系。
在GCC编译过程概述文中，介绍了gcc命令的常用参数（下面补充了-D和-O）：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| -o | 指定输出文件路径 |
| -D | 定义预处理宏，格式为"-D <macro>=<value>" |
| -E | 只对源文件进行预处理，输出.i文件 |
| -S | 对源文件进行预处理、编译，输出.s文件 |
| -c | 对源文件进行预处理、编译、汇编，输出.o文件 |
| -I | 大写的i，包含头文件路径，如 gcc -Ireal/cool/include/ |
| -L | 大写的l，链接库文件路径，如 gcc -Lreal/cool/lib/ |
| -l | 小写的l，链接库文件，如链接librealcool.a：gcc -lrealcool |
| -fPIC | 生成位置无关代码(position-independent code) |
| -Wall | 对代码所有可能有问题的地方发出警告 |
| -g | 在目标文件中嵌入调试信息，便于gdb调试 |
| -O0 | 代码优化等级，-O0表示不进行优化，-O3表示最高优化 |
GCC的编译过程大概是：
-
预处理：将源文件处理为.ii/.i，处理各种预处理指令，如
#include、#ifdef、#if等等，同时也会清除注释； -
编译：将
.ii/.i处理为.S/.asm，即机器语言的汇编文件； -
汇编：将
.asm/.S处理为.o，把汇编文件变成机器码； -
链接：将各种依赖的静态/动态库文件、
.o文件、启动文件链接成最终的可执行文件或者共享库文件。
其实gcc命令的参数是针对不同的编译阶段的，下面分阶段介绍gcc参数和CMake命令的对应关系。
1 预处理
在预处理阶段，主要处理各种宏，开发的过程中往往会通过#ifdef来判断是否定义了对应的宏，来灵活地切换不同代码，比如：
#ifdef UPPER_CASE
#define name "REAL_COOL_ENGINEER"
#else
#define name "real_cool_engineer"
这个时候，如果需要使用大写的版本，就可以使用gcc的-D参数：
gcc -DUPPER_CASE ...
而在CMake中，可以使用命令：
add_definitions(-DUPPER_CASE)
2 编译
在编译的时候，需要把源文件处理成机器代码，主要有两个方面：
- 对于源文件里面的代码具体怎样进行编译
- 源文件内部调用的外部函数怎么查找
对于第一点，就是各种编译选项，有很多类型：
- 编译警告选项，比如
-Wall、-Wextra - 代码优化选项，比如：
-O0、-Ofast - 调试选项，比如：
-g、-fvar-tracking - 预处理选项，比如：
-M、-MP - 代码生成选项，比如：
-fPIC、-fPIE - 等等，还有针对不同语言特有的选项
所有的选项在GNU GCC官网上有详细的介绍，参见：Option-Summary。
对于第二点，在源文件内部，调用的外部函数是在头文件中声明的，所以通过#include的头文件编译器必须能够找到，这个时候需要使用-I参数指定头文件的查找路径，以确保编译器可以找到源文件所使用的头文件。
在使用gcc命令时，选项直接作为参数传递即可，比如：
gcc -c xxx.c -Os -g -Wall -Wextra -pedantic -Werror -o xxx.o -Isrc/c
那么在CMake中，可以：
- 使用
add_compile_options命令指定编译选项 - 使用
include_directories命令指定头文件搜索路径
因此上面的gcc命令的效果等同于：
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，因为CMake的构建目标必须是库或者可执行文件，所以并没有命令仅生成.o文件，所以这里使用add_library代替。
3 链接
链接需要做的就是把最终目标依赖的东西都组装起来。
对于这里的可执行文件来说，先从demo.o的main函数开始，链接整个程序执行过程中需要的所有函数的实现；不同实现可能在不同的.o文件或者库文件内，通过头文件声明的函数名，在.o和.a文件里面查找需要的实现；如果找不到，就会引发一个链接错误。
对于项目内部的构建目标库文件及其他的.o文件，在链接的时候直接使用即可，而对于外部的第三方库或者系统的库文件，则需要使用-L和-l参数来告知链接器。
和编译一样的，除了-L和-l，链接器也还有很多其他参数`比如：
-pie -pthread -r -s -static -static-pie
详细的参数介绍详见：Link-Options。
对应地，CMake对应可以使用的命令为：
- 对于
-L，使用link_directories或者target_link_directories命令 - 对于
-l，使用link_libraries或者target_link_libraries命令 - 指定链接器的选项，使用
add_link_options或者target_link_options命令
上述命令中，以
target_开头的是针对特定的目标进行设置，否则是针对所有的目标。
假设目标程序使用了外部库文件/usr/lib/libmath.a就可以使用命令：
gcc demo.c -L/usr/lib -lmath -pthread
对应地，CMake使用的命令应该是：
add_link_options(-pthread)
add_executable(demo demo.c)
link_directories(/usr/lib)
target_link_libraries(demo math)
三 总结
最后，使用一个表格总结一下本文的核心内容。
GCC编译过程使用的gcc参数和CMake命令之间的对应关系表：
| gcc 参数 | CMake 命令 | 含义 |
|---|---|---|
| -D | add_definitions | 设置预编译宏 |
| 编译器选项 | add_compile_options | 设置编译器的选项，控制编译行为 |
| -I | include_directories | 设置头文件搜索路径 |
| -L | link_directories/target_link_directories | 指定链接器搜索库文件的路径 |
| -l | link_libraries/target_link_libraries | 指定要链接的库文件 |
| 链接器选项 | add_link_options/target_link_options | 指定链接器的链接选项 |
Enjoy CMake！