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【09】生成器表达式

2075字约7分钟

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1. 前言

1.1 CMake 工作流程

CMake 工作流程分为两步，配置阶段和生成阶段。我们在命令行中输入cmake ..的时候，可以在输出内容的最后看到这样的两行话

-- Configuring done
-- Generating done

分别指代了这两个阶段

1.1.1 Configure 阶段

在这个阶段，CMake 会读取你的CMakeLists.txt文件，并执行其中的命令。这些命令可能会检查系统的特性（例如，查找库或者编译器特性），设置变量，或者定义构建目标（例如库、可执行文件，或者其他伪目标）。这个阶段的主要目的是确定构建过程需要的所有信息。

1.1.2 Generate 阶段

在此阶段 CMake 会生成实际的建构档。这些文件包含了实际编译和链接你的代码所需要的命令，包括

  • 各种编译选项
  • 与目标相关的操作

的命令都是在生成阶段添加至建构档中的。比方说

target_include_directories(
  demo
  PUBLIC include
)

target_link_libraries(
  demo
  PRIVATE core
)

这两个命令均生效于生成阶段。而后文准备介绍的生成器表达式，就作用于生成阶段。也正因如此，只有能够在生成阶段生效的命令才能使用生成器表达式，而在配置阶段生效的命令，例如用于设置变量的 set 命令并不支持生成器表达式。

1.2 CMake 的生成器表达式是什么

生成器表达式在生成构建系统期间进行计算，以生成特定于每个生成配置的信息。他们有如下形式：$<...>。可参考Generator Expression。

1.3 为什么要引入生成器表达式

在设置某些编译选项的时候，如果当条件较多，要制作的编译选项版本也相应增多。这时可以使用生成器表达式语法，让一部分编译信息在生成阶段自动完成，无需在配置阶段设置，示例如下：

# 现计划给 Debug 和 Release 两种构建类型添加不同的编译选项
set(CMAKE_C_FLAGS_DEBUG "${CMAKE_C_FLAGS_DEBUG} -g -O0")
set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "${CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG} -g -O0")
set(CMAKE_C_FLAGS_RELEASE "${CMAKE_C_FLAGS_RELEASE} -O2")
set(CMAKE_CXX_FLAGS_RELEASE "${CMAKE_CXX_FLAGS_RELEASE} -O2")

# 使用生成器表达式可以简化成
add_compile_options(
  $<$<CONFIG:Debug>:-g -O0>
  $<$<CONFIG:Release>:-O2>
)

这里的 add_compile_options 就属于在生成阶段生效的命令。以上代码属于条件定义，即在不同的条件下生成不同的变量、宏等内容。其中这段代码使用生成器表达式的效果是，在不同的构建类型下（Debug、Release），会生成不同的被添加进编译选项的字符串。

2. 常用生成器表达式

2.1 布尔生成器表达式

2.1.1 逻辑运算符

  1. $<BOOL:string>

    如果字符串为空、0、不区分大小写的FALSE、OFF、N、NO、IGNORE、NOTFOUND，或者区分大小写的以-NOTFOUND结尾的字符串，则表达式的值为0，否则为1

    add_library(mylib ${SOURCES})

target_compile_definitions(mylib PUBLIC
  $<$<BOOL:${USE_OTHERLIB}>:USE_OTHERLIB>
)

    在这个例子中，$<BOOL:${USE_OTHERLIB}> 会检查变量 USE_OTHERLIB 是否为假。如果 USE_OTHERLIB 为假，那么这个表达式就会返回 0，否则返回 1。然后，$<1:USE_OTHERLIB> 会在前面的表达式为真时添加一个编译定义 USE_OTHERLIB。

  2. $<AND:conditions>：逻辑与

    conditons是以逗号分割的条件列表，一般来说，条件是列表的，都是使用逗号进行分割，后文不再赘述。逻辑运算条件成立，表达式的值为0，否则为1，后文不再赘述。

    add_library(mylib ${SOURCES})

target_compile_definitions(mylib PUBLIC
  $<$<AND:$<CONFIG:Debug>,$<TARGET_EXISTS:otherlib>>:USE_OTHERLIB>
)

    在这个例子中，$<AND:$<CONFIG:Debug>,$<TARGET_EXISTS:otherlib>>会在当前配置为Debug并且目标 otherlib 存在时返回1，否则返回0。然后，$<1:USE_OTHERLIB> 会在前面的表达式为真时添加一个编译定义 USE_OTHERLIB。

  3. $<OR:conditions>：逻辑或

    在给定的任何条件为真时返回1，否则返回0

    add_library(mylib ${SOURCES})

target_compile_definitions(mylib PUBLIC
  $<$<OR:$<CONFIG:Debug>,$<TARGET_EXISTS:otherlib>>:USE_OTHERLIB>
)

    在这个例子中，$<OR:$<CONFIG:Debug>,$<TARGET_EXISTS:otherlib>>会在当前配置为 Debug 或者目标 otherlib 存在时返回 1，否则返回 0。然后，$<1:USE_OTHERLIB> 会在前面的表达式为真时添加一个编译定义 USE_OTHERLIB。

  4. $<NOT:condition>：逻辑非

    在给定的条件为假时返回1，否则返回0

    add_library(mylib ${SOURCES})

target_compile_definitions(mylib PUBLIC
  $<$<NOT:$<TARGET_EXISTS:otherlib>>:USE_OTHERLIB>
)

    在这个例子中，$<NOT:$<TARGET_EXISTS:otherlib>>会在目标otherlib不存在时返回1，否则返回0。然后，$<1:USE_OTHERLIB> 会在前面的表达式为真时添加一个编译定义 USE_OTHERLIB。

2.1.2 字符串比较

  1. $<STREQUAL:string1,string2>

    判断字符串是否相等

  2. $<EQUAL:value1,value2>

    判断数值是否相等

  3. $<IN_LIST:string,list>

    判断string是否包含在list中，list使用分号分割

注意

这里的list是在逗号后面的列表，即${...}所表示的内容，因此其内容需要使用分号分割。

2.1.3 变量查询

  1. $<TARGET_EXISTS:target>

    判断目标是否存在

  2. $<CONFIG:cfgs>

    判断编译类型配置是否包含在cfgs列表（比如"Release，Debug"）中；不区分大小写

  3. $<PLATFORM_ID:platform_ids>

    判断CMake定义的平台ID是否包含在platform_ids列表中

  4. $<COMPILE_LANGUAGE:languages>

    判断编译语言是否包含在languages列表中

2.2 字符串生成器表达式

使用生成器表达式的主要目的可能就是因为此功能了。比如 CMake 官方的例子：基于编译器 ID 指定include目录：

include_directories("/usr/include/$<CXX_COMPILER_ID>/")

根据编译器的类型，$<CXX_COMPILER_ID>会被替换成对应的ID（比如“GNU”、“Clang”）。

2.2.1 条件表达式

  • $<condition:true_string>

    如果条件为真，则结果为true_string，否则为空

  • $<IF:condition,str1,str2>

    如果条件为真，则结果为str1，否则为str2

2.2.2 字符串转换

  • $<LOWER_CASE:string>

    将字符串转为小写

    add_library(mylib ${SOURCES})

set(TARGET_NAME "MYLIB")

target_compile_definitions(mylib PUBLIC
  TARGET_NAME=$<LOWER_CASE:${TARGET_NAME}>
)

    在这个例子中， $<LOWER_CASE:${TARGET_NAME}>会将TARGET_NAME变量的值转换为小写。然后，这个小写的值会被赋给编译定义 TARGET_NAME。

    所以，mylib 会被编译时定义 TARGET_NAME 为 mylib。

  • $<UPPER_CASE:string>，将字符串转为大写

生成器表达式种类繁多，这里不再一一列举

3. 构建安装表达式

该生成器表达式属于字符串生成器表达式的一种。这个问题来自于【10】项目的导出与安装，但不看并不影响知识点的讲解，下面给出这个问题的产生原因。

3.1 问题引出

在安装导出目标的时候，如果导出目标中包含的目标使用了 target_include_directories 命令，例如

target_include_directories(
  my_target PUBLIC include
)

则执行 cmake .. 的操作后会出现形如

-- CMake Error in xxx/xxx/CMakeLists.txt:
-- Target "my_target" INTERFACE_INCLUDE_DIRECTORIES property contains
-- path:
--  
--   "/xxx/xxx/include"
-- 
-- which is prefixed in the source directory.

的问题，这表示包含目录具有绝对路径，这其实是 install 指定的头文件安装路径（默认是 /usr/local/include）与 target_include_directories 指定的路径（这里是那串绝对路径 /xxx/xxx/include）互相冲突了

3.2 解决方法

最为有效且通用的解决方法是使用导出安装的生成器表达式，有 $<BUILD_INTERFACE>:xxx 和 $<INSTALL_INTERFACE:xxx，下面给出一个比较常见的示例。

target_include_directories(
  my_target PUBLIC
  $<BUILD_INTERFACE:${CMAKE_CURRENT_LIST_DIRS}/include>
  $<INSTALL_INTERFACE:include/MyLibrary>
)

这个命令表示，将一系列内容以公开传播方式包含于目标 my_target 中，这里的一系列内容则是会根据当前处于何种方式（构建或是安装）进行选择。BUILD_INTERFACE 表示在构建时启用，INSTALL_INTERFACE 表示在安装时启用。

假设导出目标名为 MyModules，可以在安装路径 <path-to-install>/cmake/MyModules.cmake 下找到如下类似的语句

set_target_properties(my_target PROPERTIES
  INTERFACE_INCLUDE_DIRECTORIES "${_IMPORT_PREFIX}/include/MyLibrary"
)

这是 INSTALL_INTERFACE 生成器表达式生效的产物。

补充说明

这里对上文出现的三个标识符做个简短的介绍