Практичні проєкти: калькулятор, Qt-застосунок і кросплатформна збірка

У попередніх лекціях кожна можливість CMake розглядалася окремо. Нижче вони зібрані у трьох проєктах, які відображають типові сценарії: консольна програма з бібліотекою й тестами, застосунок із графічним фреймворком і збірка для іншого типу процесора.

Проєкт 1: консольний калькулятор

Калькулятор складається з бібліотеки calculator_lib (арифметика та движок із історією обчислень), програми з меню та двох тестових програм. Бібліотека відокремлена від main.cpp, тому тести працюють із нею напряму, без діалогу з користувачем.

Структура

Як влаштовано проєкт

1. Бібліотека calculator_lib містить усю логіку: функції арифметики та клас Engine. Заголовки лежать у include/calculator/, тому в коді пишемо #include "calculator/operations.h", і папка calculator/ працює як простір імен для файлів.
2. target_include_directories(... PUBLIC ...) з BUILD_INTERFACE і INSTALL_INTERFACE передає шлях до заголовків програмі й тестам автоматично.
3. Програма calculator лінкується з бібліотекою через PRIVATE: користувачів у програми немає, тому передавати залежність далі немає сенсу.
4. Тести створюються циклом foreach: кожен файл стає окремою програмою і окремим тестом CTest.
5. Перевірки CHECK написані власним макросом, а не через assert. Як з'ясували в лекції про тестування, assert у Release-збірці зникає, а CHECK працює завжди.

Збірка, тести, запуск

Якщо подати програмі послідовність дій (4, 10, 0 — ділення на нуль; 5, 2, 10 — степінь; 6, 81 — корінь; 0 — вихід), у виводі з'являються такі рядки:

Проєкт 2: застосунок із графічним інтерфейсом (Qt)

Qt — найпоширеніший C++-фреймворк для графічних програм, що працює на Windows, Linux і macOS. Він має власні інструменти генерації коду, і CMake вміє запускати їх автоматично. Це приклад проєкту із великою зовнішньою залежністю, яка підключається через find_package.

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.16)
project(QtApp VERSION 1.0.0 LANGUAGES CXX)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# Автоматичні генератори коду Qt
set(CMAKE_AUTOMOC ON)  # Meta-Object Compiler: сигнали та слоти
set(CMAKE_AUTORCC ON)  # Resource Compiler: файли ресурсів .qrc
set(CMAKE_AUTOUIC ON)  # UI Compiler: файли форм .ui

# Знайти Qt
find_package(Qt6 REQUIRED COMPONENTS Widgets)

# Вихідні файли
set(SOURCES
    src/main.cpp
    src/mainwindow.cpp
    src/mainwindow.h
)

# Створення виконуваного файлу з урахуванням платформи
if(WIN32)
    add_executable(${PROJECT_NAME} WIN32 ${SOURCES})
elseif(APPLE)
    add_executable(${PROJECT_NAME} MACOSX_BUNDLE ${SOURCES})
else()
    add_executable(${PROJECT_NAME} ${SOURCES})
endif()

# Зв'язати з Qt
target_link_libraries(${PROJECT_NAME} PRIVATE Qt6::Widgets)

# Встановлення
install(TARGETS ${PROJECT_NAME}
    BUNDLE DESTINATION .
    RUNTIME DESTINATION bin
)

Що тут нового

• CMAKE_AUTOMOC. Механізм сигналів і слотів Qt потребує додаткового коду, який створює спеціальний компілятор moc. З цією змінною CMake сам знаходить класи з макросом Q_OBJECT у заголовках і запускає moc перед компіляцією.
• CMAKE_AUTOUIC перетворює файли форм .ui (створені в Qt Designer) на C++-заголовки, CMAKE_AUTORCC вбудовує ресурси .qrc (зображення, переклади) у виконуваний файл.
• find_package(Qt6 REQUIRED COMPONENTS Widgets) знаходить лише потрібну частину Qt. Ціль Qt6::Widgets уже залежить від Qt6::Gui та Qt6::Core, тому перелічувати їх окремо не потрібно.
• WIN32 та MACOSX_BUNDLE — прапорці add_executable. Перший прибирає консольне вікно на Windows, другий створює на macOS пакет .app замість звичайного виконуваного файлу.

Мінімальний код застосунку

Розгортання на Windows

Програма Qt на Windows не запуститься на чужому комп'ютері без бібліотек Qt (Qt6Core.dll, Qt6Widgets.dll і плагінів платформи). Збирати їх вручну не потрібно: Qt постачає утиліту windeployqt, яку можна запустити після збірки:

if(WIN32)
    find_program(WINDEPLOYQT windeployqt HINTS "${Qt6_DIR}/../../../bin")

    if(WINDEPLOYQT)
        add_custom_command(TARGET ${PROJECT_NAME} POST_BUILD
            COMMAND ${WINDEPLOYQT} --no-translations
                    $<TARGET_FILE:${PROJECT_NAME}>
            COMMENT "Копіювання бібліотек Qt поруч з виконуваним файлом"
        )
    endif()
endif()

windeployqt аналізує виконуваний файл, визначає потрібні DLL і плагіни та копіює їх поруч. Подібні утиліти є й на інших платформах: macdeployqt для macOS і linuxdeploy для Linux.

Проєкт 3: кросплатформна збірка для Raspberry Pi

До цього часу збірка виконувалась на тій же системі, на якій програма запускається. Часто це неможливо: мікроконтролер або Raspberry Pi надто слабкі для компіляції, і програму збирають на потужному ПК. Така збірка називається кросплатформною (cross-compilation). Компілятор працює на хост-системі (ваш комп'ютер), а результат призначений для цільової системи (Raspberry Pi).

Щоб CMake знав, що збирати потрібно для іншої системи, її описують у файлі toolchain.

Toolchain-файл

# toolchain-raspberry.cmake

# Цільова система: Linux на процесорі ARM
set(CMAKE_SYSTEM_NAME Linux)
set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR arm)

# Компілятори для ARM
set(CMAKE_C_COMPILER arm-linux-gnueabihf-gcc)
set(CMAKE_CXX_COMPILER arm-linux-gnueabihf-g++)

# Де шукати бібліотеки та заголовки цільової системи
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH /usr/arm-linux-gnueabihf)

# Програми (cmake, python) шукати на хості, бібліотеки й заголовки в цільовому sysroot
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_PROGRAM NEVER)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_LIBRARY ONLY)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_INCLUDE ONLY)

Рядки по порядку:

• CMAKE_SYSTEM_NAME переводить CMake в режим кросплатформної збірки. Після цього змінна CMAKE_CROSSCOMPILING стає істинною.
• CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR описує архітектуру процесора. У прикладі arm відповідає 32-бітній Raspberry Pi OS. Для 64-бітної системи використовують aarch64 і компілятор aarch64-linux-gnu-g++.
• CMAKE_C_COMPILER, CMAKE_CXX_COMPILER вказують кросплатформні компілятори. Їх ставлять на хості: наприклад, sudo apt install g++-arm-linux-gnueabihf на Ubuntu.
• CMAKE_FIND_ROOT_PATH — корінь файлової системи цільової платформи (sysroot). find_package, find_library шукають бібліотеки саме там, а не серед бібліотек хоста.
• Режими MODE_PROGRAM/LIBRARY/INCLUDE. Програми (наприклад, python або protoc) виконуються на хості, тому їх шукають у системі хоста (NEVER). А бібліотеки й заголовки потрібні для цільової платформи, тому їх шукають тільки в sysroot (ONLY).

Використання

cmake -S . -B build-rpi -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=toolchain-raspberry.cmake
cmake --build build-rpi

Перевірити, що результат справді призначений для ARM, можна командою file:

file build-rpi/MyApp
# build-rpi/MyApp: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 ...

Запускати цей файл на ПК не вийде. Його копіюють на Raspberry Pi (наприклад, scp build-rpi/MyApp pi@raspberrypi:~) й запускають там. Для швидкої перевірки без пристрою CMake підтримує емулятор: якщо вказати -DCMAKE_CROSSCOMPILING_EMULATOR=qemu-arm, команди add_test і CTest запускатимуть тести через qemu-arm.

Шаблон нового проєкту

Щоб не повторювати кожного разу структуру з нуля, використовуйте перевірений скрипт створення мінімального проєкту:

# Створити папку проєкту
mkdir MyNewProject && cd MyNewProject

# Базова структура
mkdir -p src include tests docs scripts

# Головний CMakeLists.txt
cat > CMakeLists.txt << 'EOF'
cmake_minimum_required(VERSION 3.15)
project(MyNewProject VERSION 1.0.0)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

option(BUILD_TESTS "Build tests" ON)

add_executable(${PROJECT_NAME} src/main.cpp)

if(BUILD_TESTS)
    enable_testing()
    add_subdirectory(tests)
endif()
EOF

# Файл тестів (без нього add_subdirectory(tests) завершиться помилкою)
echo "# Тести проєкту додаються тут" > tests/CMakeLists.txt

# Головний файл
cat > src/main.cpp << 'EOF'
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello from MyNewProject!" << std::endl;
    return 0;
}
EOF

# .gitignore
cat > .gitignore << 'EOF'
build/
build-*/
*.user
.vs/
.vscode/
.idea/
EOF

# Готово! Збираємо
cmake -S . -B build
cmake --build build
./build/MyNewProject

Після створення tests/CMakeLists.txt конфігурація проходить і програма друкує Hello from MyNewProject!.

Питання для самоперевірки

Практичне завдання

Резюме