1.3 构建和链接静态库和动态库

1.3 构建和链接静态库和动态库

NOTE: 这个示例代码可以在 https://github.com/dev-cafe/cmake-cookbook/tree/v1.0/chapter-01/recipe-03 找到，其中有C++和Fortran示例。该配置在CMake 3.5版(或更高版本)测试有效的，并且已经在GNU/Linux、macOS和Windows上进行了测试。

项目中会有单个源文件构建的多个可执行文件的可能。项目中有多个源文件，通常分布在不同子目录中。这种实践有助于项目的源代码结构，而且支持模块化、代码重用和关注点分离。同时，这种分离可以简化并加速项目的重新编译。本示例中，我们将展示如何将源代码编译到库中，以及如何链接这些库。

准备工作

回看第一个例子，这里并不再为可执行文件提供单个源文件，我们现在将引入一个类，用来包装要打印到屏幕上的消息。更新一下的hello-world.cpp:

#include "Message.hpp"
#include <cstdlib>
#include <iostream>
int main() {
  Message say_hello("Hello, CMake World!");
  std::cout << say_hello << std::endl;
  Message say_goodbye("Goodbye, CMake World");
  std::cout << say_goodbye << std::endl;
  return EXIT_SUCCESS;
}

Message类包装了一个字符串，并提供重载过的<<操作，并且包括两个源码文件：Message.hpp头文件与Message.cpp源文件。Message.hpp中的接口包含以下内容：

#pragma once
#include <iosfwd>
#include <string>
class Message {
public:
  Message(const std::string &m) : message_(m) {}
  friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, Message &obj) {
    return obj.printObject(os);
  }
private:
  std::string message_;
  std::ostream &printObject(std::ostream &os);
};

Message.cpp实现如下：

#include "Message.hpp"
#include <iostream>
#include <string>
std::ostream &Message::printObject(std::ostream &os) {
  os << "This is my very nice message: " << std::endl;
  os << message_;
  return os;
}

具体实施

这里有两个文件需要编译，所以CMakeLists.txt必须进行修改。本例中，先把它们编译成一个库，而不是直接编译成可执行文件:

创建目标——静态库。库的名称和源码文件名相同，具体代码如下：
```
add_library(message
  STATIC
    Message.hpp
    Message.cpp
  )
```
创建hello-world可执行文件的目标部分不需要修改：
```
add_executable(hello-world hello-world.cpp)
```
最后，将目标库链接到可执行目标：
```
target_link_libraries(hello-world message)
```

对项目进行配置和构建。库编译完成后，将连接到hello-world可执行文件中：

$ mkdir -p build
$ cd build
$ cmake ..
$ cmake --build .
Scanning dependencies of target message
[ 25%] Building CXX object CMakeFiles/message.dir/Message.cpp.o
[ 50%] Linking CXX static library libmessage.a
[ 50%] Built target message
Scanning dependencies of target hello-world
[ 75%] Building CXX object CMakeFiles/hello-world.dir/hello-world.cpp.o
[100%] Linking CXX executable hello-world
[100%] Built target hello-world

$ ./hello-world
This is my very nice message:
Hello, CMake World!
This is my very nice message:
Goodbye, CMake World

工作原理

本节引入了两个新命令：

add_library(message STATIC Message.hpp Message.cpp)：生成必要的构建指令，将指定的源码编译到库中。add_library的第一个参数是目标名。整个CMakeLists.txt中，可使用相同的名称来引用库。生成的库的实际名称将由CMake通过在前面添加前缀lib和适当的扩展名作为后缀来形成。生成库是根据第二个参数(STATIC或SHARED)和操作系统确定的。
target_link_libraries(hello-world message): 将库链接到可执行文件。此命令还确保hello-world可执行文件可以正确地依赖于消息库。因此，在消息库链接到hello-world可执行文件之前，需要完成消息库的构建。

编译成功后，构建目录包含libmessage.a一个静态库(在GNU/Linux上)和hello-world可执行文件。

CMake接受其他值作为add_library的第二个参数的有效值，我们来看下本书会用到的值：

STATIC：用于创建静态库，即编译文件的打包存档，以便在链接其他目标时使用，例如：可执行文件。
SHARED：用于创建动态库，即可以动态链接，并在运行时加载的库。可以在CMakeLists.txt中使用add_library(message SHARED Message.hpp Message.cpp)从静态库切换到动态共享对象(DSO)。
OBJECT：可将给定add_library的列表中的源码编译到目标文件，不将它们归档到静态库中，也不能将它们链接到共享对象中。如果需要一次性创建静态库和动态库，那么使用对象库尤其有用。我们将在本示例中演示。
MODULE：又为DSO组。与SHARED库不同，它们不链接到项目中的任何目标，不过可以进行动态加载。该参数可以用于构建运行时插件。

CMake还能够生成特殊类型的库，这不会在构建系统中产生输出，但是对于组织目标之间的依赖关系，和构建需求非常有用：

IMPORTED：此类库目标表示位于项目外部的库。此类库的主要用途是，对现有依赖项进行构建。因此，IMPORTED库将被视为不可变的。我们将在本书的其他章节演示使用IMPORTED库的示例。参见: https://cmake.org/cmake/help/latest/manual/cmakebuildsystem.7.html#imported-targets
INTERFACE：与IMPORTED库类似。不过，该类型库可变，没有位置信息。它主要用于项目之外的目标构建使用。我们将在本章第5节中演示INTERFACE库的示例。参见: https://cmake.org/cmake/help/latest/manual/cmake-buildsystem.7.html#interface-libraries
ALIAS：顾名思义，这种库为项目中已存在的库目标定义别名。不过，不能为IMPORTED库选择别名。参见: https://cmake.org/cmake/help/latest/manual/cmake-buildsystem.7.html#alias-libraries

本例中，我们使用add_library直接集合了源代码。后面的章节中，我们将使用target_sources汇集源码，特别是在第7章。请参见Craig Scott的这篇精彩博文: https://crascit.com/2016/01/31/enhanced-source-file-handling-with-target_sources/ ，其中有对target_sources命令的具体使用。

更多信息

现在展示OBJECT库的使用，修改CMakeLists.txt，如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.5 FATAL_ERROR)
project(recipe-03 LANGUAGES CXX)
add_library(message-objs
    OBJECT
        Message.hpp
        Message.cpp
    )
# this is only needed for older compilers
# but doesn't hurt either to have it
set_target_properties(message-objs
    PROPERTIES
        POSITION_INDEPENDENT_CODE 1
    )
add_library(message-shared
    SHARED
        $<TARGET_OBJECTS:message-objs>
    )
add_library(message-static
    STATIC
        $<TARGET_OBJECTS:message-objs>
    )
add_executable(hello-world hello-world.cpp)
target_link_libraries(hello-world message-static)

首先，add_library改为add_library(Message-objs OBJECT Message.hpp Message.cpp)。此外，需要保证编译的目标文件与生成位置无关。可以通过使用set_target_properties命令，设置message-objs目标的相应属性来实现。

NOTE: 可能在某些平台和/或使用较老的编译器上，需要显式地为目标设置POSITION_INDEPENDENT_CODE属性。

现在，可以使用这个对象库来获取静态库(message-static)和动态库(message-shared)。要注意引用对象库的生成器表达式语法:$<TARGET_OBJECTS:message-objs>。生成器表达式是CMake在生成时(即配置之后)构造，用于生成特定于配置的构建输出。参见: https://cmake.org/cmake/help/latest/manual/cmake-generator-expressions.7.html 。我们将在第5章中深入研究生成器表达式。最后，将hello-world可执行文件链接到消息库的静态版本。

是否可以让CMake生成同名的两个库？换句话说，它们都可以被称为message，而不是message-static和message-shared吗？我们需要修改这两个目标的属性：

add_library(message-shared
  SHARED
    $<TARGET_OBJECTS:message-objs>
    )
set_target_properties(message-shared
    PROPERTIES
        OUTPUT_NAME "message"
    )
add_library(message-static
    STATIC
        $<TARGET_OBJECTS:message-objs>
    )
set_target_properties(message-static
    PROPERTIES
        OUTPUT_NAME "message"
    )

我们可以链接到DSO吗？这取决于操作系统和编译器：

GNU/Linux和macOS上，不管选择什么编译器，它都可以工作。
Windows上，不能与Visual Studio兼容，但可以与MinGW和MSYS2兼容。

这是为什么呢？生成好的DSO组需要程序员限制符号的可见性。需要在编译器的帮助下实现，但不同的操作系统和编译器上，约定不同。CMake有一个机制来处理这个问题，我们将在第10章中解释它如何工作。