Сборка первой программы на C++ [1.4]

1. Цели урока

• Понять, как из исходного кода (.cpp) получаются целевые объекты.
• Различать исполняемый файл, статическую и динамическую библиотеки.
• Объяснить разницу между конфигурациями Debug и Release.
• Самостоятельно написать CMakeLists.txt и собрать проект.
• Переключать тип целевого объекта и конфигурацию сборки в CMake.

2. Что такое сборка программы

Сборка (build) -- это процесс превращения текстовых файлов с исходным кодом в машинные инструкции, которые процессор может выполнить напрямую. Общая схема выглядит так:

# Схема сборки (упрощенно)
#
# Исходный код (.cpp / .h)
#        |
#        v
#   Компилятор  (g++, clang++, MSVC)
#        |
#        v
# Целевой объект  (.exe / .lib / .dll)

Компилятор читает ваш .cpp-файл, проверяет синтаксис, преобразует конструкции языка в машинный код и записывает результат в целевой объект (target). Тип этого объекта зависит от настроек проекта.

Сборка и запуск -- не одно и то же

3. Виды целевых объектов

Когда компилятор обрабатывает исходный код, результатом может быть один из трех типов файлов. Выбор зависит от того, как вы настроили проект.

3.1. Исполняемый файл (Executable)

Набор машинных инструкций, которые ОС может запустить напрямую. Это именно то, что вы запускаете, чтобы программа начала работать.

# CMake: создать исполняемый файл
add_executable(my_robot)

3.2. Статическая библиотека (Static Library)

Набор подпрограмм, которые встраиваются в исполняемый файл на этапе компоновки (линковки). После сборки вашему .exe уже не нужен отдельный файл библиотеки -- весь ее код "вшит" внутрь.

# CMake: создать статическую библиотеку
add_library(my_math)          # по умолчанию -- STATIC
# или явно:
add_library(my_math STATIC)

3.3. Динамическая библиотека (Shared / Dynamic Library)

Набор подпрограмм, которые подгружаются в программу при ее запуске (или по запросу). Библиотека остается отдельным файлом и не копируется внутрь исполняемого файла.

# CMake: создать динамическую библиотеку
add_library(my_sensors SHARED)

3.4. Сравнительная таблица

3.5. Типичные ошибки

# [!] Не сработает:
./build/Debug/my_math.a
# bash: ./build/Debug/my_math.a: Permission denied  (или "не является исполняемым")

# [ok] Библиотеку нужно подключить к исполняемому файлу:
# target_link_libraries(my_robot PRIVATE my_math)

# [!] Ошибка: дублирование цели
add_executable(lesson3)
add_library(lesson3)       # CMake Error: target "lesson3" already exists

# [ok] Оставьте только один вариант:
add_executable(lesson3)
# add_library(lesson3)

4. Конфигурации сборки: Debug и Release

Один и тот же исходный код компилятор может превратить в машинный код по-разному в зависимости от выбранной конфигурации. Две основные конфигурации -- Debug и Release.

4.1. Режим Debug (Отладка)

Предназначен для разработки и поиска ошибок.

• Оптимизация отключена -- код выполняется "как написан", без перестановок компилятором.
• Генерируется отладочная информация -- можно ставить точки останова, видеть значения переменных и стек вызовов.
• Итоговый файл больше по размеру и работает медленнее.

# Установка режима Debug в CMake
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)

4.2. Режим Release (Релиз)

Предназначен для финальной версии программы.

• Оптимизация включена -- компилятор перестраивает код для максимальной скорости.
• Отладочная информация не генерируется -- файл меньше, код сложнее разобрать.
• Итоговый файл меньше и работает быстрее.

# Установка режима Release в CMake
set(CMAKE_BUILD_TYPE Release)

4.3. Сравнение режимов

4.4. Типичные ошибки

# [!] Собрали Release, а потом пытаемся отлаживать -- не работает
set(CMAKE_BUILD_TYPE Release)

# [ok] Для отладки нужен Debug
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)

5. Система сборки CMake

CMake -- это кроссплатформенная система управления сборкой. Она не компилирует код сама, а генерирует файлы для выбранной системы сборки (Make, Ninja, Visual Studio и др.), которая уже вызывает компилятор.

# Как работает CMake (упрощенно):
#
# CMakeLists.txt  -->  CMake  -->  Makefile / .sln / ninja  -->  Целевой объект
# (ваши правила)                   (системные файлы)              (.exe / .lib / .dll)

Главное преимущество: один и тот же CMakeLists.txt работает на Windows, Linux и macOS. Вам не нужно писать отдельные скрипты сборки под каждую платформу.

5.1. Основные команды CMakeLists.txt

5.2. Типичные ошибки

# [!] Файл назван неправильно
$ ls
cmake_lists.txt  main.cpp
$ cmake -B build
# CMake Error: The source directory "..." does not appear to contain CMakeLists.txt.

# [ok] Правильное имя (с точным регистром)
$ mv cmake_lists.txt CMakeLists.txt
$ cmake -B build
# -- Configuring done

# [!] Пробелы внутри ${ } -- переменная не раскроется корректно
target_sources(lesson3 PRIVATE ${ sources })

# [ok] Без пробелов
target_sources(lesson3 PRIVATE ${sources})

6. Пошаговая сборка проекта

Теперь соберем все знания вместе и пройдем путь от пустой папки до работающей программы.

Шаг 1. Структура директории

Создайте папку проекта с двумя файлами:

# Создаем директорию и переходим в нее
mkdir my_first_project
cd my_first_project

# Создаем два пустых файла
# Linux / macOS:
touch CMakeLists.txt main.cpp

# Windows (PowerShell):
# New-Item CMakeLists.txt, main.cpp

Итоговая структура:

my_first_project/
    CMakeLists.txt      # инструкции для системы сборки
    main.cpp            # исходный код программы

Шаг 2. Исходный код main.cpp

Откройте main.cpp в редакторе и напишите простейшую программу:

// main.cpp -- первая программа на C++

#include <iostream>   // Подключаем библиотеку ввода-вывода

int main() {
    // Выводим приветствие в консоль
    std::cout << "Hello, Robotics World!" << std::endl;

    return 0;         // 0 -- программа завершилась успешно
}

Шаг 3. Файл CMakeLists.txt

Это "рецепт" для системы сборки. Скопируйте код ниже и изучите комментарии:

# -- 1. Системные требования --
cmake_minimum_required(VERSION 3.18)

# -- 2. Описание проекта --
project(
    lesson3                       # Имя проекта
    VERSION 0.0.1                 # Версия (Major.Minor.Patch)
    DESCRIPTION "First project"   # Краткое описание
    LANGUAGES CXX                 # Язык: CXX = C++
)

# -- 3. Настройки компиляции --
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)           # Стандарт C++17
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)  # Стандарт обязателен
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)           # Конфигурация: Debug

# -- 4. Целевой объект --
# Вариант 1: Исполняемый файл (.exe)
add_executable(lesson3)

# Вариант 2: Статическая библиотека (.lib / .a)
# add_library(lesson3)

# Вариант 3: Динамическая библиотека (.dll / .so)
# add_library(lesson3 SHARED)

# -- 5. Исходные файлы --
set(sources
    main.cpp
)

target_sources(lesson3 PRIVATE ${sources})

Шаг 4. Генерация и компиляция

Откройте терминал в папке проекта и выполните две команды:

# 1. Генерируем файлы сборки в папку build
cmake -B build

# 2. Запускаем компиляцию
cmake --build build

После успешной сборки появится структура:

my_first_project/
    CMakeLists.txt
    main.cpp
    build/                    # создана автоматически
        Debug/                # или Release
            lesson3.exe       # ваш целевой объект

Шаг 5. Запуск результата

# Windows:
.\build\Debug\lesson3.exe

# Linux / macOS:
./build/lesson3

Ожидаемый вывод:

Hello, Robotics World!

Типичные ошибки при сборке

# Проверить наличие компилятора:
g++ --version       # Linux / macOS (GCC)
cl                  # Windows (MSVC, из Developer Command Prompt)

# Если не установлен -- установите:
# Ubuntu/Debian: sudo apt install g++
# macOS:         xcode-select --install
# Windows:       установите Visual Studio (с компонентом "Разработка на C++")

# [!] Ошибка линковщика при отсутствии main() в executable:
# undefined reference to `main'

# [ok] Убедитесь, что в main.cpp есть функция int main() { ... }

7. Практика: типовые задачи (с решениями)

Базовые задачи

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "My name is Alex." << std::endl;
    std::cout << "I study robotics." << std::endl;
    return 0;
}

// Output:
// My name is Alex.
// I study robotics.

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Line 1\nLine 2\nLine 3\n";
    return 0;
}

// Output:
// Line 1
// Line 2
// Line 3

Задачи на CMake

# Было:
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)

# Стало:
set(CMAKE_BUILD_TYPE Release)

# Пересоберите:
# cmake -B build
# cmake --build build

# Закомментируйте executable:
# add_executable(lesson3)

# Раскомментируйте library:
add_library(lesson3)

# Пересоберите:
# cmake -B build
# cmake --build build

# Результат: build/Debug/lesson3.lib  (Windows)
#            build/liblesson3.a       (Linux)

Продвинутые задачи

#ifndef GREET_H
#define GREET_H

#include <string>

std::string getGreeting();

#endif

#include "greet.h"

std::string getGreeting() {
    return "Hello from greet module!";
}

#include <iostream>
#include "greet.h"

int main() {
    std::cout << getGreeting() << std::endl;
    return 0;
}

// Output:
// Hello from greet module!

set(sources
    main.cpp
    greet.cpp
)

target_sources(lesson3 PRIVATE ${sources})

# Закомментируйте executable:
# add_executable(lesson3)

# Раскомментируйте shared library:
add_library(lesson3 SHARED)

# Пересоберите:
# cmake -B build
# cmake --build build

# Результат: build/Debug/lesson3.dll  (Windows)
#            build/liblesson3.so      (Linux)

8. Чек-лист самопроверки знаний

Отметьте пункты, которые вы действительно понимаете и можете применить без подсказок.