Configuring Transitive Dependencies with Modern CMake
Introduction
近日某个项目临近结束，书文档，写配置，发现网上的 CMake 教程颇旧，混乱不堪，且缺乏实际作用，难及需求。遂系统读了一些 Modern CMake 资料，撰文记录，以供参考。
实际项目包含上万行代码，依赖三四个第三方库，欲生成支持 find_package() 查找的动态库，并自动传递依赖，供用户直接使用。
下面将其简化为一最小示例，便于演示流程。示例项目结构为：
mylib/
├─ inc/
│ ├─ mylib/
│ │ ├─ lib.h
├─ src/
│ ├─ lib.cc
├─ CMakeLists.txtlib.h 和 lib.cc 内容为：
// inc/mylib/lib.h
#ifndef LIB_H_
#define LIB_H_
namespace mylib {
void foo();
void bar();
} // namespace mylib
#endif // LIB_H_
// src/lib.cc
#include <mylib/lib.h>
#include <iostream>
#include <fmt/core.h>
#include <torch/torch.h>
namespace mylib {
void foo() {
std::cout << "hello torch\n";
torch::Tensor tensor = torch::rand({2, 3});
std::cout << tensor << std::endl;
}
void bar()
{
fmt::print("hello fmtlib\n");
}
} // namespace mylib该库只包含两个函数，foo() 和 bar()，分别依赖 libtorch 和 fmtlib 这两个第三方库。
现在需要编写 CMakeLists.txt 来配置依赖，生成动态库，并传递依赖，以使用户无需重复导入依赖的第三方库。
这可以分为三个步骤进行思考，先确保输入无误（Input），再确保依赖传递等逻辑无误 (Process)，最后确保输出无误(Output)，就是常用的系统分析 IPO 模型。
Input
先看第一步，输入。我们项目的源文件、头文件及第三方库的所有依赖就是这里所说的输入，该步要保证各库路径的正确性和 ABI 的一致性，否则后续可能会产生奇怪的错误。
首先是基本配置，包含项目名称、版本和语言等信息。这样编写即可：
cmake_minimum_required(VERSION 3.20)
project(
mylib
VERSION 1.0.1
DESCRIPTION "First release of mylib"
LANGUAGES CXX
)其次，导入第三方库。如果库安装在标准路径（/usr/local/lib etc.），find_package() 可以直接找到，而若是自定义路径，则需要手动指定。暂且这样写上：
find_package(Torch REQUIRED)
find_package(fmt REQUIRED)
message(STATUS "Found Torch: ${TORCH_FOUND}")
message(STATUS "Found fmtlib: ${fmt_FOUND}")写 CMake 要步步为营，我们先运行一下以确保目前不存在任何问题，再继续前进。在 mylib/ 目录下，尝试运行以下命令：
cmake -S . -B build/ -DCMAKE_PREFIX_PATH:STRING=/home/lkimuk/libraries/libtorch/由于 libtorch 并未处于标准目录，故而需要通过 CMAKE_PREFIX_PATH 手动为其指定搜索路径。倘若输出为：
-- Found Torch: TRUE
-- Found fmtlib: 1
-- Configuring done
-- Generating done即表示当前无误。libtorch 库的 CMake 配置写法不规范，是老式写法，而 fmtlib 是新式写法，是以输出形式也略有不同。本文是新式写法。
这个搜索路径也可以写在 CMake 中，存在两种方式，一种是 CMAKE_PREFIX_PATH 路径，另一种是 Torch_DIR 变量。
# 1.
list(APPEND CMAKE_PREFIX_PATH "/home/lkimuk/software/libtorch")
# 2.
set(Torch_DIR "/home/lkimuk/software/libtorch/share/cmake/Torch")但不应写死，而是通过 CMake 命令指定，因为实际运行时，用户的路径不可能与你相同。
最后，处理源文件输入，并将依赖库附加至动态库。
# Found all source files
file(GLOB_RECURSE SOURCE_FILES "${PROJECT_SOURCE_DIR}/src/*.cc")
list(LENGTH SOURCE_FILES SRC_FILES_SIZE)
message(STATUS "Found ${SRC_FILES_SIZE} source files of mylib")
# Define a shared library target named `mylib`
add_library(mylib SHARED)
# Specify source files for target named `mylib`
target_sources(mylib PRIVATE ${SOURCE_FILES})
# Specify the include directories for the target named `mylib`
target_include_directories(mylib PUBLIC
$<BUILD_INTERFACE:${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/inc>
$<INSTALL_INTERFACE:${CMAKE_INSTALL_INCLUDEDIR}>
)
# Specify the link directories for the target named `mylib`
target_link_libraries(mylib PUBLIC
fmt::fmt
${TORCH_LIBRARIES}
)
# Request compile features for target named `mylib`
target_compile_features(mylib PUBLIC cxx_std_20)Modern CMake 是 target-oriented 的， target 就是编译的目标，可以是静态库、动态库和可执行文件，各类目录就是这个 target 的属性，权限就是 target 的依赖传递性。完全可以类比对象，若是想让用户在使用源码时，也可以使用 fmtlib 和 libtorch 的特性而无需再次链接，只需指定 PUBLIC，对 mylib 所依赖的库进行传递。
但需要注意，find_package() 本身并不具备传递依赖的能力，依赖传递需要单独处理，否则用户侧不仅需要导入你的 mylib 库，还需要重复导入 fmtlib 和 libtorch，而这些第三方库其实已经在你提供的 CMake 中导入过了。
此时，在 mylib/ 目录下，运行以下命令：
cmake -S . -B build/ -DCMAKE_PREFIX_PATH:STRING=/home/lkimuk/libraries/libtorch/
cmake --build ./build如无报错，则第一步结束。
Process
再看第二步，导出与安装。
首先，使我们的库能够安装。就是指定一些安装目录、导出头文件之类的操作，ARCHIVE 是静态库目录，LIBRARY 是动态库目录，INCLUDES 是头文件目录。
# Defines the ${CMAKE_INSTALL_INCLUDEDIR} and ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR} variable.
include(GNUInstallDirs)
# Make executable target `mylib` installable
install(TARGETS mylib
EXPORT mylib-targets
ARCHIVE DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR}
LIBRARY DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR}
INCLUDES DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_INCLUDEDIR}
)
# Install the header files
install(
DIRECTORY ${PROJECT_SOURCE_DIR}/inc/
DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_INCLUDEDIR}
)此处创建了一个导出对象 mylib-targets，指定了一些导入信息，主要就是某些信息保存的目录，如库存入 ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR} （其实就是 lib）下，头文件存入 ${CMAKE_INSTALL_INCLUDEDIR} （其实就是 include）下，这两个变量来自 GNUInstallDirs。但此时尚未实际生成文件，只是指定一些信息而已。
install(DIRECTORY ...) 实际将头文件拷贝至 ${CMAKE_INSTALL_INCLUDEDIR} 目录，前面的命令不会自动复制这些内容，需要自己手动写。
接着，根据导出名称，实际导出 targets 文件。
# Generate the required import code for the content in <export name>
# into mylib-config.cmake CMake file.
install(EXPORT mylib-targets
NAMESPACE mylib::
DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR}/mylib/cmake
)该部分会实际导出并生成 mylib-targets.cmake 文件，也可以命名为 mylibTargets，则会生成 mylibTargets.cmake 文件，这里面包含着 find_packages() 查找库所需重要信息。
如果你的库不依赖第三方库，那么直接将上面的 mylib-targets 改为 mylib-config 文件就可以满足需求，find_packages() 实际需要的是 mylib-config.cmake 这个名称的文件。这里先生成 mylib-targets 是为了稍后处理依赖传递，后面 mylib-targets.cmake 依旧会包含在 mylib-config.cmake 文件中。
这里暂先不管依赖传递，放到下一节专门讲解。先为库生成版本信息：
# Defines write_basic_package_version_file
include(CMakePackageConfigHelpers)
# Create a package version file for the package.
write_basic_package_version_file(
"mylib-config-version.cmake"
# Package compatibility strategy. SameMajorVersion is essentially `semantic versioning`.
COMPATIBILITY SameMajorVersion
)
# Install command for deploying Config-file package files into the target system.
# It must be present in the same directory as `mylib-config.cmake` file.
install(FILES
"${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/mylib-config-version.cmake"
DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR}/mylib/cmake
)版本信息通过 write_basic_package_version_file 函数实现，SameMajorVersion 表示和 project(VERSION) 中指定的主版本相同。这将实际生成 mylib-config-version.cmake 文件，它必须和 mylib-config.cmake （目前这个文件还未创建，我们将其命名为 mylib-targets.cmake 了）文件处于同一目录，后续可以导入不同版本的库。
至此，第二步结束，运行如下命令测试：
cmake -S . -B build/ -DCMAKE_PREFIX_PATH:STRING=/home/lkimuk/libraries/libtorch/
cmake --build ./build
cmake --install ./build --prefix /tmp/install-mylib若无意外，将会生成以下文件：
/tmp/
├─ install-mylib/
│ ├─ include/
│ │ ├─ mylib/
│ │ │ ├─ lib.h
│ ├─ lib/
│ │ ├─ libmylib.so
│ │ ├─ mylib/
│ │ │ ├─ cmake/
│ │ │ │ ├─ mylib-targets.cmake
│ │ │ │ ├─ mylib-targets-noconfig.cmake
│ │ │ │ ├─ mylib-config-version.cmake测试之时，指定到临时路径，以防止污染系统目录，待测试完毕，则不用指定目录，将安装到系统标准路径。
此时只剩下一个重要文件，mylib-config.cmake，里面需要处理实际的依赖传递。
Output
这节专门讲依赖传递，完成最终输出。此节的内容请添加在 include(CMakePackageConfigHelpers) (即生成版本导库) 代码的下方。
最后一部分，也是全文最核心的代码如下：
# Generate the config-file
set(LIB_INSTALL_DIR ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR}/mylib)
configure_package_config_file(
${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/mylib-config.cmake.in
"${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/mylib-config.cmake"
INSTALL_DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR}/mylib/cmake
PATH_VARS LIB_INSTALL_DIR
)
# Found all the required sub-dependencies
file(APPEND "${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/mylib-config.cmake" "include(CMakeFindDependencyMacro)\nfind_dependency(fmt)\nfind_package(Torch)")
# Install mylib-config.cmake
install(FILES "${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/mylib-config.cmake"
DESTINATION ${CMAKE_INSTALL_LIBDIR}/mylib/cmake
)这将根据 mylib/mylib-config.cmake.in 模板文件生成 mylib-config.cmake 文件，该模板文件需要手动创建，内容如下：
@PACKAGE_INIT@
set_and_check(MYLIB_LIB_DIR "@PACKAGE_LIB_INSTALL_DIR@")
include("${MYLIB_LIB_DIR}/cmake/mylib-targets.cmake")
check_required_components(mylib)这模板文件用来自动生成一些安装信息，并检查库所依赖的组件是否已经找到。
所有的子依赖皆需要我们手动处理（多么不可理喻！），即我们还需要手动处理 libtorch 和 fmtlib 的依赖传递，否则用户无法找到 mylib 依赖的这些库。这项工作可以通过 find_dependency 来实现，因此要进行文件读写，在 mylib-config.cmake 的文件末尾追加写入这些依赖，libtorch 库是老式实现，不支持 find_dependency，还是写成 find_package(Torch)。
最终生成的 mylib-config.cmake 文件内容为：
####### Expanded from @PACKAGE_INIT@ by configure_package_config_file() #######
####### Any changes to this file will be overwritten by the next CMake run ####
####### The input file was mylib-config.cmake.in ########
get_filename_component(PACKAGE_PREFIX_DIR "${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/../../../" ABSOLUTE)
macro(set_and_check _var _file)
set(${_var} "${_file}")
if(NOT EXISTS "${_file}")
message(FATAL_ERROR "File or directory ${_file} referenced by variable ${_var} does not exist !")
endif()
endmacro()
macro(check_required_components _NAME)
foreach(comp ${${_NAME}_FIND_COMPONENTS})
if(NOT ${_NAME}_${comp}_FOUND)
if(${_NAME}_FIND_REQUIRED_${comp})
set(${_NAME}_FOUND FALSE)
endif()
endif()
endforeach()
endmacro()
####################################################################################
set_and_check(MYLIB_LIB_DIR "${PACKAGE_PREFIX_DIR}/lib/mylib")
include("${MYLIB_LIB_DIR}/cmake/mylib-targets.cmake")
check_required_components(mylib)
include(CMakeFindDependencyMacro)
find_dependency(fmt)
find_package(Torch)通过上节最后一段的运行指令，最后得到的文件结构应该如下：
/tmp//
├─ install-mylib/
│ ├─ include/
│ │ ├─ mylib/
│ │ │ ├─ lib.h
│ ├─ lib/
│ │ ├─ libmylib.so
│ │ ├─ mylib/
│ │ │ ├─ cmake/
│ │ │ │ ├─ mylib-targets.cmake
│ │ │ │ ├─ mylib-targets-noconfig.cmake
│ │ │ │ ├─ mylib-config.cmake
│ │ │ │ ├─ mylib-config-version.cmake由此，万事具备。
Consumer
库已导毕，如今在用户方测试，创建的用户项目结构如下：
mylib-consumer/
├─ src/
│ ├─ main.cpp
├─ CMakeLists.txtmain.cpp 测试内容为：
#include <mylib/lib.h>
#include <torch/torch.h>
#include <fmt/core.h>
int main() {
mylib::foo();
mylib::bar();
fmt::print("fmt haha\n");
std::cout << "line----\n";
torch::Tensor tensor = torch::randn({2, 3});
std::cout << tensor;
}CMakeLists.txt 这样写：
cmake_minimum_required(VERSION 3.20)
project(mylib_consumer)
find_package(mylib 1 CONFIG REQUIRED)
message(STATUS "Found mylib: ${mylib_FOUND}")
add_executable(mylib_consumer src/main.cpp)
target_link_libraries(mylib_consumer PRIVATE mylib::mylib)在 ./mylib-consumer 路径下运行以下命令：
cmake -S . -B build -DCMAKE_PREFIX_PATH:STRING=/tmp/install-mylib
cmake --build ./build
./build/mylib_consumer得到程序输出：
hello torch
0.0214 0.7529 0.8833
0.1588 0.4331 0.5239
[ CPUFloatType{2,3} ]
hello fmtlib
fmt haha
line----
1.4285 -1.4233 0.0241
0.7902 0.3571 1.7416
[ CPUFloatType{2,3} ]测试程序中只导入了 mylib，却可以直接使用 fmtlib 和 libtorch，这表示依赖传递配置成功。
Conclusion
CMake 不易调试，报错亦难顾名思义，教程更是参差不齐，然而实现细节却不可赀计，教人头痛。
本人查询无数资料，调试多次，才跑通多级依赖间的传递问题，还遇到不规范的库和其他库存在 ABI 不一致的问题，追查许久方定位错误。
要让你的库支持 find_package()，其实有两种做法，一种是 config file，另一种是 find module。本文属于前者，许多较新的库皆是采用此种做法，当然也有的库二者皆提供。
本文示例依赖的 libtorch 是较旧的做法，并不友好，用来遍地是坑，而 fmtlib 是本文这种新式做法，使用起来方便许多。要同时依赖这些不同手法配置的库，需要多加留心，依照文中做法，则可保证无误。
