深入解析CMake的演进：从起源到CMake 4.0新特性及未来展望

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总结：

Kitware联合创始人Bill Hoffman回顾了CMake长达25年的发展历程。CMake起源于ITK项目，旨在为医学图像处理提供跨平台的C++构建可移植性。CMake的发展经历了多个时代，包括CMake 1（原始标志汤），CMake 2（通过KDE的采用实现全球普及），以及CMake 3（引入了目标命令等现代实践）。CMake 3的重要进展包括性能分析、DAP调试支持和并行安装。CMake 4.0及未来的发展方向侧重于互操作性和标准化，特别是通过通用软件包规范（CPS）和对C++模块的增强支持。未来的愿景还包括CMake代码检查（linting）、为包管理器集成引入cmake provision步骤，以及与Spack等工具更紧密的协作，以优化复杂的开发工作流程。

演讲者介绍与Kitware背景 [0:00:00]

• Bill Hoffman是Kitware的联合创始人兼首席技术官。
  • 他在GE研究公司工作了九年，将计算机视觉团队从Symbolics Lisp机器迁移到C++平台，并负责构建和软件库管理。
  • 1998年，他与四位同事共同创立了Kitware公司。
• Kitware并非通过CMake订阅模式盈利，而是一家从事咨询和研究合同的公司。
  • 公司的专业领域包括计算机视觉、数据分析、科学计算、医学成像和软件解决方案。
  • CMake团队是这家200多名员工公司中的一个小团队。

    

CMake的起源与早期目标 [0:06:54]

• CMake最初由美国国家医学图书馆资助，作为ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit）项目的一部分。
  • ITK项目旨在创建一个C++库，用于医学数据分割和配准算法。
  • Kitware是合同中的三家商业公司之一，同时还有三所大学参与。
• CMake的诞生源于对跨平台C++构建系统的需求，以解决当时的构建复杂性。
  • 1999年开始开发CMake，并于2000年发布了1.0分支。
  • 最初的目标是“世界统治”，即创建一个通用的C++构建系统。
• CMake的核心目标之一是最小化外部依赖。
  • 除了C++编译器之外，CMake不应依赖其他外部组件。
  • 这也是CMake自带语言的缘由，旨在解决“复活节彩蛋狩猎”式的依赖问题。

    

CMake的各个发展时代 [0:03:51]

CMake 1：原始标志汤 (2000-2004) [0:04:11]

• 这是“亲朋好友”时代，CMake主要在ITK、VTK、ParaView等项目中传播。
• 构建方式主要是获取一系列编译器标志并向下传递到源文件树中，类似于传统的Makefile。
• CMake 4.0版本已废弃了添加不带文件扩展名的源文件。
  • 这一废弃提高了构建速度和性能。
• find_package()等查找命令在CMake 1时代就已存在，体现了超前思维。

  

CMake 2：世界普及 (2004-2014) [0:05:22]

• Bill Hoffman积极推广CMake，寻找项目采用它。
• 2006年，KDE项目采用了CMake，这是一个巨大的里程碑。
  • 解决了“鸡生蛋，蛋生鸡”的问题，因为KDE是Linux最受欢迎的窗口环境之一，使其成为许多Linux发行版的默认依赖项。
  • 促进了CMake代码的改进，例如更好的安装机制、共享库版本控制和标准的Linux安装功能。
• 现代CMake于2012年诞生，由Stephen Kelly提出。
  • 核心思想是无论目标库是在构建树中还是作为外部依赖引入，其链接方式应保持一致。
  • 这催生了CMake中的目标模型。
• 2008年，LLVM项目也采用了CMake。
• Google搜索趋势显示，KDE采用后，CMake的关注度显著上升。

  

CMake 3：目标命令时代 (2014-2025) [0:07:18]

• CMake 3引入了构建要求（build requirements）和使用要求（usage requirements）的概念。
• 引入了接口库（interface libraries）的概念。

  

CMake 3 性能测试 [0:07:31]

• CMake 3提供了内置的性能分析工具。
  • 用户可以通过cmake --profiling-forest-google-trace命令生成配置文件。
  • 这些数据可以在Perfecto等工具中可视化。
  • 有助于识别CMake配置脚本中的性能瓶颈，例如耗时的execute_process命令。

    

CMake 3 调试功能 [0:08:23]

• CMake 3增加了对调试适配器协议（DAP）的支持。
  • 任何支持DAP的编辑器（如VS Code）都可以调试CMake代码。
  • 大大简化了复杂CMake构建的调试过程。

    

并行安装 (3.31新特性) [0:08:55]

• CMake 3.31引入了并行安装功能。
  • 显著提高了某些项目的安装时间，特别是那些涉及大量文件复制和重新链接的项目。
  • 通过并行执行安装脚本，优化了效率。

    

CMake目标回顾与评价 [0:09:31]

演讲者回顾了2002年CMake官网列出的原始目标，并评估了其实现情况。

目标1：开发开源、跨平台构建工具 [0:11:04]

• 评价：A++
• CMake已成为C++领域的标准构建系统，实现了跨平台和开源的目标。

  

目标2：支持原生编译器和系统 [0:11:24]

• 评价：A+
• CMake支持多种原生构建系统和编译器，包括Visual Studio Code、Xcode、Ninja、Make、nmake以及几乎所有主流编译器。
• 微软甚至分发CMake，并与CMake团队保持每月沟通，这在早期是难以想象的。

目标3：简化构建流程 [0:11:37]

• 评价：B/C
• 尽管CMake有很大改进，但C++开发者年度调查显示，管理应用程序依赖库、管理CMake项目以及设置开发环境仍然是痛点。
• 演讲者认为，这部分问题可以通过Spack和CMake的结合来进一步解决。

  

目标4：提供用户界面管理构建系统 [0:12:19]

• 评价：A
• CMake提供了多种用户界面，包括非交互式命令行工具（cmake）、终端界面（ccmake）和图形界面（cmake-gui）。
• Visual Studio Code等现代IDE也集成了对CMake构建的管理功能。

目标5：创建可扩展的框架 [0:12:32]

• 评价：B
• CMake语言并非所有人都喜欢，但其可扩展性让开发者能够实现非常规的、复杂的功能，例如用CMake语言编写光线追踪器。

  

目标6：培养自给自足的社区 [0:13:13]

• 评价：A
• CMake拥有庞大而活跃的社区，拥有超过1500名贡献者。
• 经过25年的发展，社区仍在不断壮大，有许多关于CMake的书籍出版。

  

CMake 4.0及未来发展 [0:13:32]

CMake 4.0及未来的发展方向是实现互操作性和标准化，重点是使用JSON格式。

通用软件包规范 (CPS) [0:16:09]

• CPS是CMake 4.0的核心功能之一，已从实验阶段发布。
  • 它是一种基于JSON的软件包发现机制，旨在替代CMake旧有的导出目标文件（.cmake文件）。
  • 这种格式与语言、平台和工具无关，可以被IDE、包管理器等多种工具使用。
• CPS的历史由来已久：
  • 2016年由Matthew Woelke发起。
  • 2018年WG21论文提出。
  • 2022年C++ Now和CppCon会议上均有相关讨论和演讲。
• CPS旨在解决C++二进制库或包缺乏统一机器可读定义的问题。
  • 它能以机器可读的方式定义使用库所需的全部信息，如包含路径、链接标志等。
• CPS的特性：
  • 支持一个给定包的多种配置和组件。
  • 灵活的版本兼容性和验证。
  • 默认可重定位（relocatable by default）。
  • 传递性依赖（transitive dependencies）“开箱即用”。
• CMake中CPS的实现：
  • 旧的安装方式是install(EXPORT TARGETS ...)和install(CMAKE_CONFIG_FILES ...)。
  • 新的方式是install(PACKAGE_INFO ...)和export(TARGETS ...)。
  • 使用方式保持不变，仍为find_package()。
• CPS正积极与Conan和Spack等包管理器集成，实现相互导入和导出。

  

C++ 模块支持 [0:19:04]

• CMake已完全支持C++20命名模块，并已从实验阶段移除。
• import std模块仍在实验阶段，但正在接近完成。
• 模块的重要性在于构建顺序：
  • 在C++模块中，模块的生产者必须在其消费者之前编译。
  • 这意味着构建系统需要知道C++文件之间的导入依赖关系，这比头文件依赖更为复杂。
• CMake与标准委员会合作，定义了用于编译器依赖扫描的格式（p1689）。
  • 这允许编译器提供模块的依赖信息，而不是让构建系统（如CMake）自行解析C++代码。
• 在CMake中使用C++20模块，通常通过文件集（file sets）进行管理和安装。

  

CMake 检测工具 (4.3新特性) [0:21:26]

• CMake 4.3引入了检测（instrumentation）功能。
  • 允许收集项目构建、测试和安装各个步骤的详细数据。
  • 提供用户和机器的性能洞察。
  • 生成Google Trace Event格式数据，可通过Perfetto可视化。
• 用户可以设置回调函数，将检测数据发送到集中式系统或Cdash。

  

SBOM 生成 (实验性4.3) [0:22:13]

• CMake 4.3实验性地支持软件物料清单（SBOM）生成。
  • 旨在为CMake提供原生的SBOM支持，当前支持SPDX格式。
  • 这一功能由DARPA项目资助。
• 目标是将SBOM生成集成到构建工具中，使其成为无额外负担的自动化过程，从而提升社区的软件供应链安全。

  

新构建工具 - GFASTBuild [0:23:17]

• CMake中新增了一个构建系统生成器GFASTBuild。
  • FastBuild在游戏开发社区中很受欢迎，支持分布式构建和内置缓存。
  • 在常规构建中性能与Ninja相当，但在分布式和缓存场景下可显著加速。
  • 类似于Ninja的引入，FastBuild的集成让CMake用户无需做太多改动就能享受更快的并行构建。

    

新的现代CMake教程与SARIF [0:24:50]

• 新的现代CMake教程正在开发中，旨在改进文档，解决“学习CMake的最佳方式是查看现有CMake项目”这一历史上的不良建议。
• CMake正在支持SARIF (Static Analysis Results Interchange Format) 协议，以更好地与各种工具集成。

  

未来展望与未实现的功能 [0:25:09]

CMake 代码检查 (Linting) [0:25:13]

• CMake团队正在开发代码检查工具，用于检测和提示旧的、不良的CMake模式，帮助用户编写更现代、更规范的CMake脚本。

  

CMake 作为包管理器工作流 [0:25:28]

• 演讲者提出了一个概念性的“cmake provision”步骤。
  • 该步骤可以在CMake配置之前运行所选的包管理器（如Spack、Conan、vcpkg）。
  • 这样可以确保所有依赖项都被正确获取和设置，从而使CMake配置能够顺利找到所有内容。

    

Spack develop + CMake 协作 [0:26:07]

• 设想Spack的develop模式与CMake结合，为高性能计算（HPC）模拟等复杂项目提供强大的开发工具。
  • 开发者可以灵活地选择要开发（编辑、编译、运行、调试）的库，同时为其他依赖项构建或获取二进制文件。
  • 允许在开发过程中动态地将更多库纳入开发环境或移出。

    

总结与社区参与 [0:26:47]

• CMake 4.0将被定义为互操作性和标准化的时代，尤其侧重于JSON格式的应用。
• 鼓励社区成员通过GitLab、Discourse、Slack和ISO讨论等渠道参与CMake的未来发展。