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C++少說也用了十年了，從簡單的Hello World到200萬行的游戲項目，編譯和構建的工具也經歷了各種升級。最終的開發環境，選擇了Clang+GDB+CMake。當然不斷改進和升級開發工具的腳步尚未停止，只要能提高開發效率，怎樣折騰都是值得的。

期間經歷了：

直接調用編譯和鏈接命令
使用Makefile
使用CMake
不斷嘗試其他構建系統，如：b2、WAF、SCons

C++構建系統

對構建系統的要求

由于C/C++本身的特性，如：跨平臺、高性能等、編寫復雜等，對構建系統也是提出了一定的要求：

支持并行編譯：構建系統能否支持并行編譯？對于編譯速度的要求，我給自己定的目標是<10min，超過10min要么換機器，要么想辦法優化代碼依賴。上百萬行的代碼，并行編譯時必須的，否則一不小心改一行代碼等個把小時，這樣開發時間白白浪費在編譯上太不值得了。
自動生成依賴：構建系統是否僅僅編譯剛修改過的及其依賴的文件？代碼的依賴關系，要我們自己去手動寫腳本（一般gcc/clang的話，使用gcc -M xx.cpp）？
跨平臺：構建系統能否僅寫一份構建腳本，支持多種平臺？有些項目需要進行交叉編譯，測試環境和運行環境是在不同的平臺環境下。
支持自定義構建目標：構建系統必須支持擴展，支持自定義Target等。如：protobuf文件可以根據依賴規則自動生成.h、.cpp；自定義一些用于打包或測試的命令（make pack、make test）。

本文下面大概介紹一下剛提到的構建系統，具體用法不贅述，官方網站是最好的開始地方。若有必要會另起文章詳細講解如何使用及其工作原理。

基于make的

GNU Make

對于玩Linux的人來說，這是太熟悉不過的東西了。小規模的項目或僅自己玩的項目，手寫Makefile完全就足夠了。

GNU Make 是一個控制源碼生成可執行文件或其他文件的工具。需要一個叫Makefile的文件來說明構建的目標和規則。

最簡單的規則大概是這樣的：

target:   dependencies ...
          commands
          ...

意思是：生成target，依賴于dependencies，如果dependencies有修改或者target不存在，就逐個執行下面的commands去生成target。

下面貼一個復雜的Makefile感受下：

CXX      = g++
CXXFLAGS = -g -I../proto.client -I../common
LDFLAGS  = -L../common  -L../proto.client/ -lproto.client -L/usr/local/lib -lzmq -lprotobuf -ltinyworld

OBJS = main.o

SRCS = $(OBJS:%.o=%.cpp)
DEPS = $(OBJS:%.o=.%.d) 

TARGET=gateserver

.PHONY: all clean

all : $(TARGET)

include $(DEPS)
$(DEPS): $(SRCS)
    @$(CXX) -M $(CXXFLAGS) $< > $@.$$$$; \\
        sed 's,\\($*\\)\\.o[ :]*,\\1.o $@ : ,g' < $@.$$$$ >$@; \\
        rm -f $@.$$$$

$(OBJS): %.o: %.cpp
    $(CXX) -c $(CXXFLAGS) $< -o $@

$(TARGET): $(OBJS) ../common/libtinyworld.a
    $(CXX) $(OBJS) -o $@ $(CXXFLAGS) $(LDFLAGS)

clean:
    @rm -rf $(TARGET)

Microsoft NMake

在Windows下面做開發，Visual Studio基本上完全勝任。微軟自己的IDE功能強大，對于項目構建的管理IDE幫著你搞定了。VS的構建的管理其實用的是微軟自己的Make，叫NMAKE。腳本還是IDE，各有千秋：IDE好處就是它什么都幫你干了，簡單方便；壞處就是對構建的方式和過程了解的比較淺，自由度沒那么大，遇到大型項目的特殊需求時要各種查資料。

MSDN上面的NMAKE腳本示例：

# Sample makefile

!include <win32.mak>

all: simple.exe challeng.exe

.c.obj:
  $(cc) $(cdebug) $(cflags) $(cvars) $*.c

simple.exe: simple.obj
  $(link) $(ldebug) $(conflags) -out:simple.exe simple.obj $(conlibs) lsapi32.lib

challeng.exe: challeng.obj md4c.obj
  $(link) $(ldebug) $(conflags) -out:challeng.exe $** $(conlibs)

自動生成make腳本的

手動寫make腳本自由度大，為了自由度，它的設計比較簡單，有許多上述對構建系統的要求它沒法支持。如：GUN Make沒法自己知道代碼的依賴，需要借助編譯器來自己寫腳本；跨平臺就更不可能了。

還有一個重要的影響就是對于環境的自動檢測。如果你的代碼發布出去，任何一個人下載下來需要進行編譯，他的編譯器、操作系統環境、依賴的第三方庫的位置和版本都會有差異，如何進行編譯？難到要下載你代碼的人去手動修改你的Makefile嗎？當然不是，這個時候在編譯之前還需要一步：檢測當前編譯環境、操作系統環境、第三方庫的位置等，不滿足要求就直接報錯，檢測到所有依賴后再根據這些信息生成適合你當前系統的Makefile，然后才能進行編譯。

GNU Build System

認識GNU Build System可以從兩個角度入手：使用者和開發者。主要包含三大模塊：

Autoconf
Automake
Libtool

站在使用者的角度，GNU Build System為我們提供了源碼包編譯安裝的方式：

tar -xvzf package-name.version.tar.gz # tar -xvjf package-name.version.tar.bz2 
cd package-name.version
./configure --prefix=xxx
make
make install

其中的configure就是檢測環境，生成Makefile的腳本。大概的過程如下：

構建和安裝

站在開發者的角度，GNU Build System 為我們廣大程序員提供了編寫構建規則和檢查安裝環境的功能。

GNU Build System

要發布自己的源碼，首先需要一個Autoconf的configure.ac，最簡單的長這樣：

AC_INIT([hello], [1.0]) 
AC_CONFIG_SRCDIR([hello.c]) 
AC_CONFIG_HEADERS(config.h) 
AC_PROG_CC 
AC_CONFIG_FILES(Makefile) 
AC_PROG_INSTALL 
AC_OUTPUT

其次還需要一個Automake的Makefile.am來描述構建規則，看起來這這樣的：

AC_INIT([hello], [1.0]) 
AC_CONFIG_SRCDIR([hello.c]) 
AC_CONFIG_HEADERS(config.h) 
AM_INIT_AUTOMAKE 
AC_PROG_CC 
AC_CONFIG_FILES(Makefile) 
AC_PROG_INSTALL 
AC_OUTPUT

定義好檢查環境和配置的configure.ac和描述構建規則的Makefile.am，生成一個可以發布的源碼包大概過程如下：

aclocal 
autoconf 
autoheader 
touch NEWS README AUTHORS ChangeLog 
automake -a 
./configure 
make 
make dist

CMake

CMake是一個跨平臺的安裝（編譯）工具，可以用簡單的語句來描述所有平臺的安裝（編譯過程）。他能夠輸出各種各樣的Makefile或者project文件，能檢查編譯器所支持的C++特性，類似UNIX下的automake。CMake 并不直接建構出最終的軟件，而是產生標準的建構腳本（如Unix 的 Makefile 或 Windows Visual C++ 的 projects/workspaces），然后再使用相應的工具進行編譯。

CMak的特點主要有：

開放源代碼，使用類 BSD 許可發布。 http://cmake.org/HTML/Copyright. html
跨平臺，并可生成 native 編譯配置文件，在 Linux/Unix 平臺，生成 makefile，在蘋果平臺，可以生成 xcode，在 Windows 平臺，可以生成 MSVC 的工程文件。
能夠管理大型項目， KDE4 就是最好的證明。
簡化編譯構建過程和編譯過程。 CMake 的工具鏈非常簡單： cmake+make。
可擴展，可以為 cmake 編寫特定功能的模塊，擴充 cmake 功能。

其實CMake工具包不僅僅提供了編譯，還有：支持單元測試的CTest，支持不同平臺打包的CPack，自動化測試及其展示的CDash。有興趣的訪問官方網站學習：https://cmake.org/

一般，在每個源碼目錄下都有一個 CMakeLists.txt，看起來是這樣的：

cmake_minimum_required (VERSION 2.6)
project (Tutorial)
# The version number.
set (Tutorial_VERSION_MAJOR 1)
set (Tutorial_VERSION_MINOR 0)
 
# configure a header file to pass some of the CMake settings
# to the source code
configure_file (
  "${PROJECT_SOURCE_DIR}/TutorialConfig.h.in"
  "${PROJECT_BINARY_DIR}/TutorialConfig.h"
  )
 
# add the binary tree to the search path for include files
# so that we will find TutorialConfig.h
include_directories("${PROJECT_BINARY_DIR}")
 
# add the executable
add_executable(Tutorial tutorial.cxx)

使用的時候：

第一步：根據CMakeLists.txt生成Makefile，命令如下：

mkdir path-to-build
cd path-tob-build
cmake path-to-source

cmake的過程可以分為配置和生成過程。配置的時候優先從CMakeCache.txt中讀取設置，然后再掃一遍CMakeList.txt中的設置，該步驟會檢查第三方庫和構建過程的變量；生成步驟則根據當前的環境和平臺，生成不同的構建腳本，如Linux的Makefile，Windows的VC工程文件。

CMake的過程

第二步：編譯。沒啥好說的，Linux下直接make -jxx，其他的操作系統的IDE直接打開點一下build按鈕即可。

非基于make的

非基于make的構建系統五花八門，這里只大概介紹一下我所知的幾個。

SCons

SCons 是一個開放源代碼、以 Python 語言編寫的下一代的程序建造工具。作為下一代的軟件建造工具，SCons 的設計目標就是讓開發人員更容易、更可靠和更快速的建造軟件。與傳統的 make 工具比較，SCons 具有以下優點：

使用 Python 腳本做為配置文件。
對于 C，C++,Fortran，內建支持可靠自動依賴分析。不用像 make 工具那樣需要執行"make depends"和"make clean"就可以獲得所有的依賴關系。
內建支持 C, C++, D, Java, Fortran, Yacc, Lex, Qt，SWIG 以及 Tex/Latex。用戶還可以根據自己的需要進行擴展以獲得對需要編程語言的支持。
支持 make -j 風格的并行建造。相比 make -j, SCons 可以同時運行 N 個工作，而不用擔心代碼的層次結構。
使用 Autoconf 風格查找頭文件，函數庫，函數和類型定義。
良好的夸平臺性。SCons 可以運行在 Linux, AIX, BSD, HP/UX, IRIX, Solaris, Windows, Mac OS X 和 OS/2 上。

SCons架構：

SCons架構

SCons的腳本名為SConstruct，內容看起來是這樣的：

Program('helloscons2', ['helloscons2.c', 'file1.c', 'file2.c'], 
    LIBS = 'm', 
    LIBPATH = ['/usr/lib', '/usr/local/lib'], 
    CCFLAGS = '-DHELLOSCONS')

其中，

LIBS：顯示的指明要在鏈接過程中使用的庫，如果有多個庫，應該把它們放在一個列表里面。這個例子里，我們使用一個稱為 m 的庫。
LIBPATH：鏈接庫的搜索路徑，多個搜索路徑放在一個列表中。這個例子里，庫的搜索路徑是 /usr/lib 和 /usr/local/lib。
CCFLAGS：編譯選項，可以指定需要的任意編譯選項，如果有多個選項，應該放在一個列表中。這個例子里，編譯選項是通過 -D 這個 gcc 的選項定義了一個宏 HELLOSCONS。

編譯命令：

$ scons -Q 
 gcc -o file1.o -c -DHELLOSCONS file1.c 
 gcc -o file2.o -c -DHELLOSCONS file2.c 
 gcc -o helloscons2.o -c -DHELLOSCONS helloscons2.c 
 gcc -o helloscons2 helloscons2.o file1.o file2.o -L/usr/lib -L/usr/local/lib -lm

Waf

SCons項目小的話還好，規模一大，依賴分析速度急速下降，而且自動配置功能很弱（跨平臺構建能力不足），Waf嘗試去解決SCons所暴露的問題。Waf也是基于Python的配置、編譯、安裝程序。主要特性：

構建順序自動化：輸入輸出文件的構建順序自動化識別。
依賴自動分析：根據文件或命令自動進行依賴分析。
性能：任務都是并發執行的。
靈活性：可以方便地通過添加新的子類創建新的命令或任務，特定構建過程中的瓶頸可以動過方法的動態重載來消除。
可擴展性：默認支持多種編程語言和編譯器，有需求新加的也可以通過插件進行支持。
IDE支持：Eclipse, Visual Studio and Xcode project generators (waflib/extras/)
文檔詳細：入門到深入可以閱讀：《Waf Book》
Python兼容：cPython 2.5 to 3.4, Jython 2.5, IronPython, and Pypy

一個簡單的C++構建腳本wscript，先睹為快：

#! /usr/bin/env python
# encoding: utf-8
# Thomas Nagy, 2006-2010 (ita)

# the following two variables are used by the target "waf dist"
VERSION='0.0.1'
APPNAME='cxx_test'

# these variables are mandatory ('/' are converted automatically)
top = '.'
out = 'build'

def options(opt):
    opt.load('compiler_cxx')

def configure(conf):
    conf.load('compiler_cxx')
    conf.check(header_name='stdio.h', features='cxx cxxprogram', mandatory=False)

def build(bld):
    bld.shlib(source='a.cpp', target='mylib', vnum='9.8.7')
    bld.shlib(source='a.cpp', target='mylib2', vnum='9.8.7', cnum='9.8')
    bld.shlib(source='a.cpp', target='mylib3')
    bld.program(source='main.cpp', target='app', use='mylib')
    bld.stlib(target='foo', source='b.cpp')

    # just a test to check if the .c is compiled as c++ when no c compiler is found
    bld.program(features='cxx cxxprogram', source='main.c', target='app2')

    if bld.cmd != 'clean':
        from waflib import Logs
        bld.logger = Logs.make_logger('test.log', 'build') # just to get a clean output
        bld.check(header_name='sadlib.h', features='cxx cxxprogram', mandatory=False)
        bld.logger = None

Boost.Build(b2)

在編譯Boost庫的時候，會用到b2命令，其實就是Boost.Build的縮寫。編譯C++/C代碼時，只需要指定要編譯那些可執行文件或庫，然后列出相關的源碼，Boost.Build幫你搞定其他事情，支持Windows、OSX、Linux和商業的Unix系統。

HelloWorld項目的jamroot.jam腳本（Jamfiles，一種不同于Makefile的構建腳本，有興趣自google）：

exe hello : hello.cpp ;

Boost.Build是一個高級編譯系統，它能盡可能容易的管理C++項目集。其思想是在配置文件中指定編譯程序的要素。例如，它不需要告訴Boost.Build如何使用某個編譯器。Boost.Build支持多個編譯程序，并知道如何使用它們。如果你創建一個配置文件，你只需要告訴Boost.Build在何處尋找源文件，調用哪些可執行文件，Boost.Build使用哪個編譯器。然后，Boost.Build將嘗試查找編譯器并自動生成程序。

Boost.Build支持許多不包含任何編譯器特定選項的編譯器的配置文件。配置文件完全是編譯器獨立的。當然，可以設置選項是否應該優化代碼。這些選項都是boost.build語言寫的。一旦選擇編譯器去編譯程序, Boost.Build會將配置文件中的選項翻譯成相應編譯器的命令行選項。這樣就有可能寫一次配置文件，在不同的平臺上用不同的編譯器構建程序。

Boost.Build只支持C++和C項目。它是為在不同平臺上用不同編譯器編譯和安裝Boost C++庫而創造的。

小結

各種構建系統各有優缺點，需要深入研究和使用才能了解。沒有那個是最好的，只有最適合的。一般：

一兩個源文件的C++代碼，完全沒必要用構建系統，直接使用編譯器命令直接搞定；
自己用的小項目，直接手動寫Makefile即可
大型C++項目建議使用CMake，GNU Build System比較年齡大了，規則有些復雜，寫起來沒有CMake那么舒服，跨平臺的話就根本沒戲。
偶爾突破一下，想嘗試一下新鮮的構建系統，SCons、Waf、B2等等，等著你玩。
某天感覺構建系統也不過如此，閑的無聊你也可以嘗試寫一個，這不500行代碼搞定：http://www.aosabook.org/en/500L/contingent-a-fully-dynamic-build-system.html

參考資料

https://www.softprayog.in/tutorials/understanding-gnu-build-system
https://www.gnu.org/software/make/
http://www.cmake.org/
http://scons.org/
http://scons.org/doc/production/PDF/scons-design.pdf
https://waf.io
http://www.boost.org/build/tutorial.html

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C++構建系統的選擇

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