使用VSCode和CMake构建跨平台的C/C++开发环境

日前在学习制作LearnOpenGL教程的实战项目Breakout游戏时，希望能将这个小游戏开发成跨平台的，支持在多个平台运行。工欲善其事必先利其器，首先需要做的自然是搭建一个舒服的跨平台C/C++开发环境，所以这篇文章主要就是记录环境搭建的整个过程，踩到的一些坑，以及对应的解决办法。

正文开始之前，先来阐述几个问题

• 为什么选择使用VSCode

1. 实在用不习惯Visual Studio（也可能是用的太少了Ｔ▽Ｔ）
2. 代码编辑方面更喜欢用轻量级的编辑器，比如Sublime或者VSCode
3. VSCode确实比较强大好用，插件丰富

• 为什么使用CMake

1. 通用的编译构建工具，跨平台的关键，一份代码，CMake可以针对不同的系统编译构建生成不同的项目工程
2. 源代码管理，编译更加方便（如果仅仅使用VSCode搭建开发环境，则每添加一个源文件，就要改动一下编译指令）

• 最终实现的开发流程是怎样的

1. VSCode编写代码
2. 快捷键Ctrl+Shift+B，调用CMake完成本地项目生成（Mac快捷键Command+Shift+B）
3. 快捷键Ctrl+B，完成项目的编译构建与运行（Mac快捷键Command+B）
4. 快捷键F5，完成项目的调试与运行（VSCode的F5调试运行，为了能够实现调试功能额外做了许多工作，所以启动会有些慢，因此在不需要调试的时候，直接使用Ctrl+B编译运行看效果会更快些）

开发工具

CMake与VSCode

• CMake的获取，可以查看CMake官网
• VSCode的获取，可以查看VSCode官网
• 关于CMake与VSCode如何安装，比较简单，网上也有很多教程，这里就不详细介绍了

VSCode插件推荐安装

• 在VSCode的Extensions面板中搜索下面的插件名即可，记得看清作者名，不要下错啦

插件名	作者	描述
C/C++	Microsoft	提供C/C++的代码提示，跳转，调试等诸多功能，官方出品，基本是C/C++开发必备了
CMake	twxs	提供CMake语法的高亮显示以及代码段提示

示例项目

这里给出例子工程的文件目录情况，并不完整，但具有一定的代表性，不仅涉及源代码的编译，同样包含了静态库，动态库的加载，以及资源文件的读取等问题

Breakout
├── 3rd                         // 第三方库
│    ├── glfw                   // 一个静态库目录
│    ├── irrKlang-1.6.0         // 一个动态库目录
│    └── FindIrrKlang.cmake     // cmake文件
├── resources                   // 资源目录
│    ├── textures               // 存放贴图文件
│    └── shaders                // 存放shader文件
├── src                         // 源代码目录
│    ├── game                   // 源代码子目录
│    │    ├── game.h
│    │    └── game.cc
│    └── main.cc    
└── CMakeLists.txt              // cmake文件

使用CMake

本文仅着重介绍为了完成示例项目开发，解决特定问题而使用的一些cmake语句，详细的cmake介绍可以查看这份还不错的文档或者这篇博文

cmake的所有语句都写在CMakeLists.txt中，cmake会根据该文件中的配置完成最终的编译，构建，打包，测试等一系列任务

一个简单的CMakeLists.txt如下所示，完整的文件可以查看这里

# cmake最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)
# 设置PROJECT_NAME变量
set(PROJECT_NAME Breakout)
# 设置工程名
project (${PROJECT_NAME})
# 查找当前目录下的所有源文件并存入DIR_SRCS变量
aux_source_directory(src DIR_SRCS)
# 添加一个可编译的目标到工程
add_executable (${PROJECT_NAME} ${DIR_SRCS})

如何编译一个文件夹下的所有源代码

在开发过程中，由于架构设计或是为了便于管理与查找，源文件一般会根据不同的功能存放在不同的文件夹中，文件夹中又可能嵌入文件夹，所以需要一条语句能够获取所有的源文件进行编译，而不用每新创建一个源文件，就修改一次编译指令

# 递归列出所有源文件
file (GLOB_RECURSE SOURCE_FILES *.cc)
# 添加一个可编译的目标到工程
add_executable (${PROJECT_NAME} ${SOURCE_FILES})

上面这条file命令会递归列出所有.cc文件，并存入SOURCE_FILES变量，然后将SOURCE_FILES表示的所有.cc文件添加到目标即可，从而解决多源文件编译问题

如何引入一个第三方静态库

为了不重复造轮子，开发中不可避免的要引入其他第三方库。正常情况下，这个第三方库也会是一个CMake工程（或是库的开发者直接提供已经编译好的库）

以示例项目引入的glfw库为例

1. 添加submodule引入glfw（glfw正好是github上的一个开源项目），或是直接将第三方库的源码放到自己的目录中

git submodule add https://github.com/glfw/glfw.git

2. 使用add_subdirectory命令，将glfw所在的文件夹添加到编译的任务列表中

# 保证glfw dir被编译
add_subdirectory (${GLFW_DIR})

3. 将glfw的头文件目录添加到头文件搜索路径中

# 添加头文件搜索路径
include_directories (${GLFW_DIR}/include)

4. 链接glfw库，target_link_libraries命令用来链接目标与库文件，第一个参数就是我们的构建目标，后面可以跟多个参数，来表示链接多个库

# 添加链接库
target_link_libraries (${PROJECT_NAME} glfw)

动态库的加载问题

以示例项目引入的irrKlang库为例，它并不是一个开源项目，不过好在它提供了已经在多个平台上编译好的库，所以我们需要根据不同的平台来设置引入不同的库文件

1. 利用find_package引入外部依赖包，它可以帮我们找到官方预定义的许多依赖包模块，当未在官方预定义的依赖中找到时，会再查找FindXXX.cmake文件，执行该文件从而找到XXX库。更详细的介绍可以查看这篇文章

# IrrKlang
find_package (IrrKlang REQUIRED)

2. 先新建FindIrrKlang.cmake文件，由它来负责具体的irrKlang库加载。部分语句如下所示，主要是根据当前平台的不同，设置不同的头文件路径，库路径，库所在目录等变量。用到的find_library语句可以实现直接根据库的base name（即不需要lib，so等），找到对应的库，并存入IRRKLANG_LIBRARY变量

find_path(IRRKLANG_INCLUDE_DIR NAMES irrKlang.h PATHS "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/include")
IF(WIN32)  # win32平台
    if("${CMAKE_CXX_COMPILER_ID}" STREQUAL "MSVC")
        message(STATUS "Using MSVC")
        set (IRRKLANG_LIB_DIR "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/lib/Win32-visualStudio")
        set (IRRKLANG_BIN_DIR "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/bin/Win32-visualStudio")
        find_library(IRRKLANG_LIBRARY NAMES irrKlang PATHS ${IRRKLANG_LIB_DIR})
    elseif("${CMAKE_CXX_COMPILED_ID}" STREQUAL "GNU")
        message(STATUS "Using GCC")
        set (IRRKLANG_LIB_DIR "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/lib/Win32-gcc")
        set (IRRKLANG_BIN_DIR "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/bin/Win32-gcc")
        find_library(IRRKLANG_LIBRARY NAMES libirrKlang.a PATHS ${IRRKLANG_LIB_DIR})
    endif()

elseif(APPLE)  # mac平台
    set (IRRKLANG_BIN_DIR "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/bin/macosx-gcc")
    find_library(IRRKLANG_LIBRARY NAMES libirrklang.dylib PATHS "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/bin/macosx-gcc")

elseif(UNIX AND NOT APPLE)  # 等同于linux平台
    set (IRRKLANG_BIN_DIR "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/bin/inux-gcc")
    find_library(IRRKLANG_LIBRARY NAMES IrrKlang PATHS "${3RD_DIR}/irrKlang-1.6.0/bin/linux-gcc")

endif()

3. 将找到的irrKlan头文件添加到头文件搜索路径中

include_directories (${IRRKLANG_INCLUDE_DIR})

4. 链接irrKlang库

# 添加链接库
target_link_libraries (${PROJECT_NAME} glfw ${IRRKLANG_LIBRARY})

utf-8编码格式的代码通过visual studio编译报错问题

跨平台的代码，一般使用utf-8编码格式的代码，更加通用，也可以保证在MacOS或者Linux平台上的正常编译。

但是visual studio默认编译文件的编码是utf-8 with bom，在没有中文的情况下，直接编译是没有问题的，然而当源文件含有中文时（比如中文注释），则可能会出现异常，报一些莫名其妙的语法错误。解决办法是通过CMake语句通知MSVC编译时采用utf-8编码

# 设置MSVC编译编码
add_compile_options("$<$:/source-charset:utf-8>")

可执行文件的工作目录问题

当编译构建生成可执行文件后，我们希望可以直接通过命令行命令启动可执行文件来查看效果。但是由于工作目录的问题，可能会导致出现资源文件找不到，或者库加载失败问题

对于visual studio工程，可以通过CMake语句设置其工作目录，但是这个工作目录仅在通过visual studio调试启动时才会生效，但对于直接启动可执行文件的情况仍然是没用的

# 设置工作目录
set_property(TARGET ${PROJECT_NAME} PROPERTY VS_DEBUGGER_WORKING_DIRECTORY 
    ${CMAKE_SOURCE_DIR}/resources
)

所以只能将资源文件目录放置到可执行文件所在目录下，以保证一定能加载到需要的资源，这可以通过CMake的自定义命令实现

# 复制资源文件到工作目录
add_custom_command(TARGET ${PROJECT_NAME} POST_BUILD
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E copy_directory
    ${CMAKE_SOURCE_DIR}/resources
    $/resources
)

这条语句的功能是在编译结束后，将指定的资源目录复制到生成的可执行文件所在的目录。

同样的，对于一些动态库，比如dylib，dll等也需要复制，不过注意最好在编译前就将它们复制到目标目录，使用PRE_BUILD指明命令执行的时机

# 复制库到工作目录
add_custom_command(TARGET ${PROJECT_NAME} PRE_BUILD
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E copy_directory
    ${IRRKLANG_BIN_DIR}
    $
)

关于add_custom_command详细介绍可以查看这里

如何修改Mac上动态库的加载路径

在Mac上启动可执行文件时，一直遇到一个动态库无法加载的报错

dyld: Library not loaded: /usr/local/lib/libirrklang.dylib
  Referenced from: ...
  Reason: image not found

这是由于在编译生成动态库时，可以指定动态库的加载路径，比如我们引入的libirrklang库默认会到/usr/local/lib目录下查找dylib文件

简单的解决方式，自然是通过install命令，将libirrklang.dylib文件安装到/usr/local/lib目录下，不过为了不“污染”其他目录，更希望可执行文件加载的是我们放置在其所在目录下的libirrklang.dylib文件。为了实现这个目标，我们添加下面的CMake语句

if(APPLE)
    add_custom_command(TARGET ${PROJECT_NAME} POST_BUILD
        COMMAND install_name_tool -change /usr/local/lib/libirrklang.dylib @executable_path/libirrklang.dylib ${PROJECT_NAME}
    )
endif()

判断如果是Mac平台，则通过add_custom_command调用install_name_tool命令，来修改应该应用程序对动态库的查找路径。其中的@executable_path就表示可执行文件所在目录

关于动态库加载路径涉及到的rpath，executable_path，install_name_tool的详细介绍可以查看这里

利用VSCode的task.json执行指定命令

CMake的配置文件已经基本准备完毕了，接下来就是怎样结合VSCode更方便的调用CMake的问题了

通过Ctrl+Shift+B执行CMake编译本地工程

Ctrl+Shift+B是VSCode调用task的默认快捷键，task定义在.vscode目录下的task.json文件中，一般使用task来完成编译等任务，VSCode任务系统提供了丰富的参数配置，我们可以利用它完成很多自定义任务

• 定义一个task，执行cmake ..命令，完成本地项目的编译生成。Linux会生成Makefile，MacOS生成Makefile或Xcode工程，Windows下生成Visual Studio工程。注意这里的..表示的是上层目录，因为我们会在项目根目录下新建一个build文件夹，然后在这个文件夹内完成一系列的编译工作，这样cmake生成的中间文件都在build目录，不会“污染”开发目录（将build目录加入.gitignorej即可忽略CMake所产生的所有中间文件），在编译出问题的时候也可以直接删除buidl目录重新编译

{
    "label": "cmake",  // task的名字
    "type": "shell",
    "command": "cmake",
    "args": [
        // "-DCMAKE_BUILD_TYPE=${input:CMAKE_BUILD_TYPE}",
        ".."
    ],
    "options": {
        "cwd": "build"  // 表示当前执行目录build文件夹
    },
    "group": "build",
    "presentation": {  // 一些控制台显示配置
        "echo": true,
        "reveal": "always",  
        "focus": false,
        "panel": "shared",
        "showReuseMessage": true,
        "clear": true
    },
    // Use the standard MS compiler pattern to detect errors, warnings and infos
    "problemMatcher": "$msCompile",
    "dependsOn":["mkbuild"]  // 依赖的任务，在本任务执行前先执行mkbuild任务
}

• 在cmake ..命令执行前，先通过task执行mkdir新建build文件夹。其中通过windows参数，区分不同平台设置不同的参数

{
    "label": "mkbuild",
    "type": "shell",
    "command": "mkdir",  // 调用的命令
    "args": [  // 命令参数
        "-p",
        "build"
    ],
    "windows":{  // windows平台使用mkdir -Force build新建文件夹
        "args": [
            "-Force",
            "build"
        ]
    },
    "group": "build",
    "presentation": {
        "echo": true,
        "reveal": "always",
        "focus": false,
        "panel": "shared",
        "showReuseMessage": true,
        "clear": true
    },
    // Use the standard MS compiler pattern to detect errors, warnings and infos
    "problemMatcher": "$msCompile",
}

• 当按下Ctrl+Shift+B时，VSCode将弹出所有可执行的task，选择执行cmake task即可。由于定义了依赖（dependsOn），在cmak task执行前，将自动先执行mkbuild task

通过Ctrl+B构建与运行可执行文件

• 在启动可执行文件前，先通过cmake --build .构建生成可执行文件

{
    "label": "compile",
    "type": "shell",
    "command": "cmake --build .",
    "options": {
        "cwd": "build"
    },
    "group": "build",
    "presentation": {
        // Reveal the output only if unrecognized errors occur.
        "reveal": "always",
        "clear": true
    },
    // Use the standard MS compiler pattern to detect errors, warnings and infos
    "problemMatcher": "$msCompile"
    }

• 在可执行文件生成后，通过task启动可执行文件。其中的${workspaceFolderBasename}是VSCode的内置变量，表示工程名。更多的内置变量介绍可以查看这里

{
    "label": "run",
    "type": "shell",
    "command": "./${workspaceFolderBasename}",
    "group": "build",
    "presentation": {
        "echo": true,
        "reveal": "always",
        "focus": false,
        "panel": "shared",
        "showReuseMessage": true,
        "clear": true
    },
    "options": {
        "cwd": "build" 
    },
    "windows":{
        "options": {
            "cwd": "build/Debug"  // windows visual studio项目会默认多生成Debug/Release目录
        },
    },
    // Use the standard MS compiler pattern to detect errors, warnings and infos
    "problemMatcher": "$msCompile",
    "dependsOn":["compile"]  // 在run任务执行前先执行compile任务，确保修改的代码生效
}

• 通过Ctrl+B直接调用run任务。由于编译运行这个任务经常要用到，如果依然通过Ctrl+Shift+B弹出所有任务，再进一步选择就会有些麻烦，所以定义一个快捷键（读者可以用同样的方法设置自己喜欢的快捷键）来直接运行run任务

1. 打开VSCode快捷键设置

2. 在弹出的界面中输入“run build task”搜索，并修改其快捷键

3. 点击右上角的翻转按钮，进入快捷键文件配置

4. 在打开的文件中，为刚配置的快捷键添加参数，告诉它直接启动名字叫“run”的task

{
    "key": "ctrl+b",
    "command": "workbench.action.tasks.runTask",
    "args" : "run"
}

利用VSCode的launch.json完成调试

VSCode通过.vscode目录下的launch.json实现对多个平台多种语言的调试支持

通过F5完成项目的调试与运行

• 配置launch.json文件以支持C/C++项目的调试

{
    // Use IntelliSense to learn about possible attributes.
    // Hover to view descriptions of existing attributes.
    // For more information, visit: https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=830387
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        {
            "name": "Launch Debug", //名称
            "type": "cppdbg", //调试类型，除使用msvc进行调试外，均为该类型
            "request": "launch",
            "program": "${workspaceFolder}/build/${workspaceFolderBasename}", //指定C/C++程序位置
            "args": [], //指定运行参数
            "stopAtEntry": false,
            "cwd": "${workspaceFolder}/build", //指定工作目录
            "preLaunchTask": "compile", //在调试前会先调用这个task编译构建程序
            "environment": [],
            "externalConsole": false,
            "osx": { //macOS的特定配置
                // "miDebuggerPath": "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/usr/bin/lldb-mi", //修改使用的lldb-mi，一般不需要修改
                "MIMode": "lldb" //指定使用lldb进行调试
            },
            "linux": { //linux的特定配置
                "MIMode": "gdb", //指定使用gdb调试
                "setupCommands": [
                    {
                        "description": "Enable pretty-printing for gdb",
                        "text": "-enable-pretty-printing",
                        "ignoreFailures": true
                    }
                ]
            },
            "windows": { //windows的特定配置
                "type": "cppvsdbg", //指定使用msvc进行调试
                "program": "${workspaceFolder}/build/Debug/${workspaceFolderBasename}.exe", //指定C/C++程序位置
            }
        }
    ]
}

• F5是VSCode调试运行的默认快捷键，不需要额外配置，启动调试后的界面如下所示

通过使用本地工具完成调试

• 由于cmake在windows平台会默认生成Visual Stduio工程，所以也可以直接打开生成的解决方案，通过Visual Studio进行调试
• Mac平台可以使用cmake .. -GXcode命令指定生成XCode工程，然后通过XCode进行调试

参考链接

• 文中使用的完整示例项目仓库
• 文中提到的完整的task.json文件与launch.json文件
• 详细的VSCode配置C/C++开发环境（不涉及CMake）
• 另一篇讲解VSCode与CMake搭建C/C++开发环境的文章
• 一篇还不错的cmake使用文档
• VSCode官方使用文档
• VSCode task.json支持的所有字段介绍