【AI白身境】只会用Python？g++，CMake和Makefile了解一下
今天是新專欄《AI白身境》的第六篇，所謂白身，就是什么都不會，還沒有進入角色。
對于大部分小白來說，因為python用的太爽，以致于或許都沒有聽說過CMake。python是腳本語言，而當前大量的AI算法都部署在移動端嵌入式平臺，需要使用c/java語言，因此熟悉CMake和Makefile也是必備的基礎。
作者 | 湯興旺 言有三
編輯 | 湯興旺 言有三
01
g++必備基礎
在學習CMake和和Makefile之前我們先學下g++這個工具，大家或許會問為什么要學g++，不應該直接學CMake和Makefile嗎。實際上如果你不掌握g++根本就不會寫Makefile，因為它實際上就是對g++代碼的整理，有了Makefile，執行程序會更加快速方便。另外CMake就是為了簡化Makefile的編寫，它可以自動生成Makefile。
1.1 安裝g++
我們在安裝g++之前可以看一下自己是否已經安裝了g++，因為ubuntu安裝后就默認安裝了g++，下面命令可查看自己g++版本。
Tips：如果不想作死，就不要手賤去降級或者升級g++版本。
g++ --version
因為我已經安裝了g++，出現了上面安裝的版本號。如果你出現了上面信息，就不需要再安裝了，沒有的話，用下面的命令即可完成安裝。
sudo apt-get install g++
安裝好后也可以通過g++ --version查看是否安裝成功
1.2 編譯流程
現在我們已經安裝好了g++，接下來通過寫一個簡單的程序來看看整個的編譯流程。
我們通過vim創建一個test.cpp文件，測試的代碼如下：
#include <iostream>
using namespace std;
int main()?
{ ? ?
? ? ? cout << "Hello, world!" <<endl; ??
? ? ? return 0;?
}
測試代碼完成后，我們來進行下編譯，打開終端，在終端輸入g++? 文件名即可，在這個程序中就是下面命令：
g++? test.cpp
注意這里的文件名是包括路徑的，要是不知道文件路徑的話可以在敲完g++和空格之后直接把文件拖進去，系統會自動添加文件路徑。
在終端完成上面的命令后，你發現并沒有任何輸出，但這時候你去主文件夾下（默認主文件夾）看下會發現有個a.out文件
現在你再在終端輸入下面命令就能看到結果。
./a.out
接下來我來解釋下這個.out文件，實際上這是個經過相應的鏈接產生的可執行文件。還有個.o文件，它是個中間文件，一般是通過編譯的但還未鏈接。我們通過看看g++在執行編譯工作的時候的流程，你就會有更好的理解。如下：
1.預處理，生成.i的文件
2.將預處理后的文件轉換成匯編語言，生成.s文件
3.將匯編變為目標代碼(機器代碼)，生成.o的文件
4.連接目標代碼,生成可執行程序
對于這個流程，我們結合上面的例子，再詳細介紹下，如下：
1.預處理階段
首先在終端輸入下面代碼：
g++ -E test.cpp > test.i?
預處理后的文件在 linux下以.i為后綴名，這個過程是用來激活預處理，執行完命令后，你會發現主文件夾下多了一個test.i文件
這一步（預處理）主要做了宏的替換，和注釋的消除。
上圖是test.i文件的最后部分，可以看見宏的替換和注釋的消除。
2.將預處理后的文件轉換成匯編語言
在終端輸入下面代碼：
g++ -S test.cpp
這一步主要就是生成test.s文件，.s文件表示匯編文件，用編輯器打開就都是匯編指令。下圖是test.s文件的一部分。
3.將匯編語言變為目標代碼(機器代碼)
在終端輸入下面代碼：
g++ -c test.cpp?
這一步就是生成目標文件，用編輯器打開就都是二進制機器碼。
4.鏈接目標代碼，生成可執行程序
在終端輸入下面代碼：
g++ test.o -o test
在這一步中生成的可執行程序名為test，如果執行命令 g++?test.o ?這樣默認生成a.out
最后我們再看下這個過程中產生的所有文件，如下：
這就是編譯的整個過程，你掌握了嗎，這個過程對于后面編寫Makefile非常重要，一定要深刻理解。
02
Makefile必備基礎
上面我們對g++和編譯過程進行了介紹，現在我們繼續學習如何編寫Makefile。
2.1 Makefile介紹? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
Makefile描述了整個工程的編譯、鏈接等規則，它定義了一系列規則來指定哪些文件需要編譯以及如何編譯、需要創建哪些庫文件以及如何創建這些庫文件、如何產生我們想要的可執行文件。
而且Makefile可以有效的減少大工程中需要編譯和鏈接的文件，只編譯和鏈接那些需要修改的文件，可以說使用Makefile，整個工程都可以完全自動化編譯。
2.2 Makefile基本格式
target ... : prerequisites ...
target - 目標文件, 可以是 Object File, 也可以是可執行文件
prerequisites - 生成target所需要的文件或者目標
command - make需要執行的命令(任意的shell命令)，Makefile中的命令必須以 [tab] 開頭
2.3 Makefile語法
Makefile包含了五個重要的東西：顯示規則、隱晦規則、變量定義、文件指示和注釋。詳細解釋如下：
?1. 顯示規則：
通常在寫makefile時使用的都是顯式規則，這需要指明target和prerequisite文件。一條規則可以包含多個target，這意味著其中每個target的prerequisite都是相同的。當其中的一個target被修改后，整個規則中的其他target文件都會被重新編譯或執行。?
2. 隱晦規則：
make的自動推導功能所執行的規則
3. 變量的定義：
Makefile中定義的變量，一般是字符串
Makefile中引用其他Makefile；指定Makefile中有效部分；定義一個多行命令?
5. 注釋：
Makefile只有行注釋 "#", 如果要使用或者輸出"#"字符, 需要進行轉義, "\#
2.4 Makefile簡單實例
盡管上面介紹了許多Makefile的知識點，但我相信一定你很暈，接下來我通過一個實例來說明如何編寫Makefile。
2.4.1 準備程序文件
我們使用opencv對下面這只可愛的貓進行讀取顯示。
在這里我們用c++和opencv對圖片進行讀取和顯示，程序保存在DisplayImage.cpp這個文件里，代碼如下：
#include <stdio.h>
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv )
{
? ? if ( argc != 2 )
? ? {
? ? ? ?printf("usage: DisplayImage.out <Image_Path>\n");
? ? ? ? return -1;
? ? }
? ?Mat image;
? ? image = imread( argv[1], 1 );
? ? if ( !image.data )
? ? {
? ? ? ? printf("No image data \n");
? ? ? ? return -1;
? ? }
? ? namedWindow("Display Image", WINDOW_AUTOSIZE );
? ? imshow("Display Image", image);
? ? waitKey(0);
? ? return 0;
}
2.4.2 Makefile編寫
上面我們已經準備好了.cpp文件，現在我們來編寫Makefile進而進行編譯，程序如下：
現在我來解釋下應該如何編寫這個Makefile，對于編寫Makefile我建議從下往上寫。步驟如下：
1.編寫clean
這一步在Makefile中基本差不多，它的作用就是刪除所有的.o文件和可執行文件。為什么這樣做呢?我舉個例子說明下，如果你有100個.cpp文件，經過編譯后會得到一個可執行文件。在這個過程中我們會得到許多不必要的文件，例如100個.o文件，但這個文件又沒有用，如果用rm的話那就太麻煩了，所以我們用了clean，它可以很輕松完成這個任務。另外請注意Makefile文件在執行時不會執行clean這個命令，需要我們調用才會執行，即make clean。clean代碼如下：
2.編寫目標文件1：依賴文件1
目標文件就是你想得到的文件，依賴文件就是你目前所擁有的東西。在本實例中我們現在擁有DisplayImage.cpp，所以DisplayImage.cpp是依賴文件，我們想得到DisplayImage.o，所以它是目標文件。代碼如下：
3.編寫目標文件2：依賴文件2
這一步的依賴文件2實際就是第二步的目標文件1，在第二步我們通過DisplayImage.cpp得到了DisplayImage.o，現在我們需要通過DisplayImage.o得到可執行文件DisplayImage。所以在這一步目標文件是DisplayImage，依賴文件是DisplayImage.o，代碼如下：
4.應用opencv庫和頭文件
這一步就需要根據自己計算機來配置了，對于我們初學者來說挺麻煩的，可以自己嘗試下。有問題可以聯系我們。
編寫完makefile后，我們在終端make下就行了。下面編譯后的文件：
最后在終端輸入下面代碼即可顯示圖片。
./DisplayImage 01.jpg
總體來說編寫Makefile可以按照這個套路寫，多寫幾次就會了。
03
CMake必備基礎
說完Makefile，我們再說下CMake。CMake是一個跨平臺的編譯(Build)工具，可以用簡單的語句來描述所有平臺的編譯過程，其是在make基礎上發展而來的，早期的make需要程序員寫Makefile文件，進行編譯，而現在CMake能夠通過對cmakelists.txt的編輯，輕松實現對復雜工程的組織。下面我帶大家學習下CMake的基礎知識。
3.1 安裝CMake
首先我們看看如何在自己的linux系統(我的系統Ubuntu18.04)下安裝CMake。方法如下：
sudo apt-get install cmake
輸入上面命令后實際上就安裝成功了，可以通過下面命令來檢查：
cmake --version
如果你的界面如下圖所示即說明安裝成功。
3.2 CMake編譯流程
成功安裝好CMake后我們再來說說如何在linux平臺下使用CMake生成Makefile并編譯的流程，如下：
1.編寫CMake配置文件CMakeLists.txt，我們可以認為CMakeLists.txt就是CMake所處理的"代碼"。
2.執行命令 cmake path生成Makefile,其中path是CMakeLists.txt所在的目錄。
3.使用make命令進行編譯。
3.3 使用CMake編譯程序
我們通過一個關于opencv讀取圖片的程序，讓大家更好的理解整個CMake的編譯過程。
3.3.1 準備程序文件
這里程序準備可以按照第二部分makefile那里準備。最后文件目錄結構如下：
├── build
├── CMakeLists.txt
├──?DisplayImage.cpp
opencv讀取圖片的程序寫完后，我們需要編寫CMake處理的代碼了，即CMakeLists.txt。
3.3.2 編寫CMakeLists.txt
現在我們編寫CMakeLists.txt文件，該文件實際上放在哪里都可以，只要編寫的路徑能夠正確指向就好了，CMakeLists.txt文件內容如下所示：
cmake_minimum_required(VERSION 2.8)
project( DisplayImage )
find_package( OpenCV REQUIRED )
add_executable( DisplayImage DisplayImage.cpp )
target_link_libraries( DisplayImage ${OpenCV_LIBS} )
看到這些代碼是不是很悶逼，為了讓大家明白CMakeLists.txt文件內容，接下來我說一下Cmake的一些常用命令，你就能很好的理解上面的代碼了。
1）cmake_minimum_required命令
命令語法：cmake_minimum_required(VERSION major[.minor[.patch[.tweak]]][FATAL_ERROR])
命令簡述：用于指定需要的CMake 的最低版本
使用范例：cmake_minimum_required(VERSION 2.8)
2）project 命令
命令語法：project(<projectname> [languageName1 languageName2 … ] )
命令簡述：用于指定項目的名稱，一般和項目的文件夾名稱對應
使用范例：project(DisplayImage)
3）aux_source_directory命令
命令語法：aux_source_directory(<dir> <variable>)
命令簡述：用于將 dir 目錄下的所有源文件的名字保存在變量 variable 中
使用范例：aux_source_directory(src DIR_SRCS)
4）add_executable 命令
命令語法：add_executable(<name> [WIN32] [MACOSX_BUNDLE][EXCLUDE_FROM_ALL] source1 source2 … sourceN)
命令簡述：用于指定從一組源文件 source1 source2 … sourceN 編譯出一個可執行文件且命名為name
使用范例:add_executable( DisplayImage DisplayImage.cpp )
5）target_link_libraries命令
命令語法：target_link_libraries(<target> [item1 [item2 […]]][[debug|optimized|general] ] …)
命令簡述：用于指定 target 需要的鏈接 item1 item2 …。這里 target 必須已經被創建，鏈接的 item 可以是已經存在的 target（依賴關系會自動添加）
使用范例：target_link_libraries( DisplayImage ${OpenCV_LIBS} )
6）add_subdirectory 命令
命令語法：add_subdirectory(source_dir [binary_dir] [EXCLUDE_FROM_ALL])
命令簡述：用于添加一個需要進行構建的子目錄
使用范例：add_subdirectory(Lib)
7）include_directories 命令
命令語法：include_directories([AFTER|BEFORE] [SYSTEM] dir1 dir2 …)
命令簡述：用于設定目錄，這些設定的目錄將被編譯器用來查找 include 文件
使用范例：include_directories(${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib)
像這樣的命令還有很多，如find_package（）尋找使用第三方庫等，這些都需要我們平時多加積累。給大家一個查詢命令的方法，大家可以多去看cmake官網的help，鏈接如下：
https://cmake.org/cmake/help/v2.8.8/cmake.html#section_Commands
3.3 編譯和運行程序
現在CMakeLists.txt文件已經編寫好了，意味著我們的工作即將進入尾聲。現在看看我們的文件結構目錄，如下圖：
接下來我們就需要進行編譯了。編譯的過程相對于CMakeLists.txt文件的編寫是很簡單的，只有兩步，如下
cmake
make
其中cmake命令將CMakeLists.txt文件轉化為make所需要的makefile文件，最后用make命令編譯源碼生成可執行程序或共享庫。對于我們這個實例，編譯如下：
首先我們在命令行輸入cmake .(注意cmake和.之間有空格)，表明Cmakelist.txt文件在當前目錄下。
接下來在命令行輸入make
這樣我們就編譯成功了，我們看下編譯后的文件目錄
解釋下這個build文件夾，由于cmake后會生成很多編譯的中間文件以及makefile文件，所以一般建議新建一個新的目錄，專門用來編譯，這就是這里的build，打開build后，里面的文件如下：
到這里，我們不禁要問怎么沒有圖片顯示呢，別急，在build目錄下的命令行輸入下面命令即可顯示圖片，這就是生產的DisplayImage可執行文件。
./DisplayImage ../01.jpg
到這里，關于CMake的一些基本操作就介紹的差不多了，其實對于CMake的學習我認為必須在實例中多加應用，才能更好的掌握，因為它的復雜命令太多了。
總結
CMake和Makefile的基礎我們就介紹完了，對于這兩個工具其實不是一時就能學會的，需要大量的實踐積累才能游刃有余。
下期預告：下一期我們會講AI領域必須掌握的數據爬蟲基礎，如果你有建議，歡迎留言，我們會及時采納的。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的【AI白身境】只会用Python？g++，CMake和Makefile了解一下的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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