6.3 构建时使用Python生成源码

NOTE:此示例代码可以在 https://github.com/dev-cafe/cmake-cookbook/tree/v1.0/chapter-6/recipe-03 中找到，其中包含一个C++例子。该示例在CMake 3.5版(或更高版本)中是有效的，并且已经在GNU/Linux、macOS和Windows上进行过测试。

构建时根据某些规则生成冗长和重复的代码，同时避免在源代码存储库中显式地跟踪生成的代码生成源代码，是开发人员工具箱中的一个重要工具，例如：根据检测到的平台或体系结构生成不同的源代码。或者，可以使用Python，根据配置时收集的输入，在构建时生成高效的C++代码。其他生成器解析器，比如：Flex (https://github.com/westes/flex )和Bison(https://www.gnu.org/software/bison/ )；元对象编译器，如Qt的moc(http://doc.qt.io/qt5/moc.html )；序列化框架，如谷歌的protobuf (https://developers.google.com/protocol-buffers/ )。

准备工作

为了提供一个具体的例子，我们需要编写代码来验证一个数字是否是质数。现在有很多算法，例如：可以用埃拉托色尼的筛子(sieve of Eratosthenes)来分离质数和非质数。如果有很多验证数字，我们不希望对每一个数字都进行Eratosthenes筛选。我们想要做的是将所有质数一次制表，直到数字的上限，然后使用一个表查的方式，找来验证大量的数字。

本例中，将在编译时使用Python为查找表(质数向量)生成C++代码。当然，为了解决这个特殊的编程问题，我们还可以使用C++生成查询表，并且可以在运行时执行查询。

让我们从generate.py脚本开始。这个脚本接受两个命令行参数——一个整数范围和一个输出文件名:

"""
Generates C++ vector of prime numbers up to max_number
using sieve of Eratosthenes.
"""
import pathlib
import sys

# for simplicity we do not verify argument list
max_number = int(sys.argv[-2])
output_file_name = pathlib.Path(sys.argv[-1])

numbers = range(2, max_number + 1)
is_prime = {number: True for number in numbers}

for number in numbers:
  current_position = number
  if is_prime[current_position]:
    while current_position <= max_number:
      current_position += number
      is_prime[current_position] = False

primes = (number for number in numbers if is_prime[number])

code = """#pragma once

#include <vector>

const std::size_t max_number = {max_number};
std::vector<int> & primes() {{
  static std::vector<int> primes;
  {push_back}
  return primes;
}}
"""
push_back = '\n'.join([' primes.push_back({:d});'.format(x) for x in primes])
output_file_name.write_text(
code.format(max_number=max_number, push_back=push_back))

我们的目标是生成一个primes.hpp，并将其包含在下面的示例代码中:

#include "primes.hpp"

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
  std::cout << "all prime numbers up to " << max_number << ":";

  for (auto prime : primes())
      std::cout << " " << prime;

  std::cout << std::endl;

  return 0;
}

具体实施

下面是CMakeLists.txt命令的详解:

首先，定义项目并检测Python解释器:

cmake_minimum_required(VERSION 3.5 FATAL_ERROR)
project(recipe-03 LANGUAGES CXX)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_EXTENSIONS OFF)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
find_package(PythonInterp QUIET REQUIRED)

将生成的代码放在${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generate下，需要告诉CMake创建这个目录:
```
file(MAKE_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated)
```
Python脚本要求质数的上限，使用下面的命令，我们可以设置一个默认值:
```
set(MAX_NUMBER "100" CACHE STRING "Upper bound for primes")
```

接下来，定义一个自定义命令来生成头文件:

add_custom_command(
  OUTPUT
      ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated/primes.hpp
  COMMAND
      ${PYTHON_EXECUTABLE} generate.py ${MAX_NUMBER}     ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated/primes.hpp
  WORKING_DIRECTORY
      ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}
  DEPENDS
      generate.py
)

最后，定义可执行文件及其目标，包括目录和依赖关系:

add_executable(example "")
target_sources(example
  PRIVATE
      example.cpp
      ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated/primes.hpp
  )
target_include_directories(example
  PRIVATE
      ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated
  )

准备测试:

$ mkdir -p build
$ cd build
$ cmake ..
$ cmake --build .
$ ./example
all prime numbers up to 100: 2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79

具体实施

为了生成头文件，我们定义了一个自定义命令，它执行generate.py脚本，并接受${MAX_NUMBER}和文件路径(${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated/primes.hpp)作为参数:

add_custom_command(
  OUTPUT
      ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated/primes.hpp
  COMMAND
      ${PYTHON_EXECUTABLE} generate.py ${MAX_NUMBER} ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated/primes.hpp
  WORKING_DIRECTORY
      ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}
  DEPENDS
      generate.py
  )

为了生成源代码，我们需要在可执行文件的定义中，使用target_sources很容易实现添加源代码作为依赖项:

target_sources(example
  PRIVATE
      example.cpp
      ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/generated/primes.hpp
  )

前面的代码中，我们不需要定义新的目标。头文件将作为示例的依赖项生成，并在每次generate.py脚本更改时重新生成。如果代码生成脚本生成多个源文件，那么要将所有生成的文件列出，做为某些目标的依赖项。

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