9.1 使用C/C++库构建Fortran项目

NOTE:此示例代码可以在 https://github.com/dev-cafe/cmake-cookbook/tree/v1.0/chapter-9/recipe-01 中找到，其中有两个示例：一个是Fortran与C的混例，另一个是Fortran和C++的混例。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。

Fortran作为高性能计算语言有着悠久的历史。目前，许多线性代数库仍然使用Fortran语言编写，许多大型的数字处理包也保持与过去几十年的代码兼容。而Fortran提出了一个很自然的语法处理数值数组，它缺乏与操作系统交互，所以为了编程的通用性，需要一个互操作性层(使用C实现)，才发布了Fortran 2003标准。本示例将展示如何用C系统库和自定义C代码来对接Fortran代码。

准备工作

第7章中，我们把项目结构列为一个树。每个子目录都有一个CMakeLists.txt文件，其中包含与该目录相关的指令。这使我们可以对子目录进行限制中，如这个例子：

  1. .
  2. ├── CMakeLists.txt
  3. └── src
  4.       ├── bt-randomgen-example.f90
  5.       ├── CMakeLists.txt
  6.       ├── interfaces
  7.       │         ├── CMakeLists.txt
  8.       │         ├── interface_backtrace.f90
  9.       │         ├── interface_randomgen.f90
  10.       │         └── randomgen.c
  11.       └── utils
  12.       ├── CMakeLists.txt
  13.       └── util_strings.f90

我们的例子中，src子目录中包括bt-randomgen-example.f90，会将源码编译成可执行文件。另外两个子目录interface和utils包含更多的源代码，这些源代码将被编译成库。

interfaces子目录中的源代码展示了如何包装向后追踪的C系统库。例如，interface_backtrace.f90:

  1. module interface_backtrace
  3.   implicit none
  5.   interface
  6.     function backtrace(buffer, size) result(bt) bind(C, name="backtrace")
  7.       use, intrinsic :: iso_c_binding, only: c_int, c_ptr
  8.       type(c_ptr) :: buffer
  9.       integer(c_int), value :: size
  10.       integer(c_int) :: bt
  11.     end function
  13.     subroutine backtrace_symbols_fd(buffer, size, fd) bind(C, name="backtrace_symbols_fd")
  14.       use, intrinsic :: iso_c_binding, only: c_int, c_ptr
  15.       type(c_ptr) :: buffer
  16.       integer(c_int), value :: size, fd
  17.     end subroutine
  18.   end interface
  19. end module

上面的例子演示了：

  • 内置iso_c_binding模块，确保Fortran和C类型和函数的互操作性。
  • interface声明，将函数在单独库中绑定到相应的符号上。
  • bind(C)属性，为声明的函数进行命名修饰。

这个子目录还包含两个源文件:

  • randomgen.c：这是一个C源文件，它对外公开了一个函数，使用C标准rand函数在一个区间内生成随机整数。
  • interface_randomgen.f90：它将C函数封装在Fortran可执行文件中使用。

具体实施

我们有4个CMakeLists.txt实例要查看——根目录下1个，子目录下3个。让我们从根目录的CMakeLists.txt开始:

  1. 声明一个Fortran和C的混合语言项目:

    1. cmake_minimum_required(VERSION 3.5 FATAL_ERROR)
    2. project(recipe-01 LANGUAGES Fortran C)

  2. CMake将静态库和动态库保存在build目录下的lib目录中。可执行文件保存在bin目录下，Fortran编译模块文件保存在modules目录下:

    1. set(CMAKE_ARCHIVE_OUTPUT_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/lib)
    2. set(CMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/lib)
    3. set(CMAKE_RUNTIME_OUTPUT_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/bin)
    4. set(CMAKE_Fortran_MODULE_DIRECTORY
    5. ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/modules)

  3. 接下来，我们进入第一个子CMakeLists.txt，添加src子目录:

    1. add_subdirectory(src)

  4. src/CMakeLists.txt文件添加了两个子目录:

    1. add_subdirectory(interfaces)
    2. add_subdirectory(utils)

在interfaces子目录中，我们将执行以下操作:

  1. 包括FortranCInterface.cmak模块，并验证C和Fortran编译器可以正确地交互:

    1. include(FortranCInterface)
    2. FortranCInterface_VERIFY()

  2. 接下来，我们找到Backtrace系统库，因为我们想在Fortran代码中使用它:

    1. find_package(Backtrace REQUIRED)

  3. 然后，创建一个共享库目标，其中包含Backtrace包装器、随机数生成器，以及Fortran包装器的源文件:

    1. add_library(bt-randomgen-wrap SHARED "")
    3. target_sources(bt-randomgen-wrap
    4.   PRIVATE
    5.     interface_backtrace.f90
    6.     interface_randomgen.f90
    7.     randomgen.c
    8.   )

  4. 我们还为新生成的库目标设置了链接库。使用PUBLIC属性，以便连接到其他目标时，能正确地看到依赖关系:

    1. target_link_libraries(bt-randomgen-wrap
    2.   PUBLIC
    3.       ${Backtrace_LIBRARIES}
    4.   )

utils子目录中，还有一个CMakeLists.txt，其只有一单行程序：我们创建一个新的库目标，子目录中的源文件将被编译到这个目标库中。并与这个目标没有依赖关系:

  1. add_library(utils SHARED util_strings.f90)

回到src/CMakeLists.txt:

  1. 使用bt-randomgen-example.f90添加一个可执行目标:

    1. add_executable(bt-randomgen-example bt-randomgen-example.f90)

  2. 最后，将在子CMakeLists.txt中生成的库目标，并链接到可执行目标:

    1. target_link_libraries(bt-randomgen-example
    2.   PRIVATE
    3.       bt-randomgen-wrap
    4.       utils
    5.   )

工作原理

确定链接了正确库之后，需要保证程序能够正确调用函数。每个编译器在生成机器码时都会执行命名检查。不过，这种操作的约定不是通用的，而是与编译器相关的。FortranCInterface，我们已经在第3章第4节时，检查所选C编译器与Fortran编译器的兼容性。对于当前的目的，命名检查并不是一个真正的问题。Fortran 2003标准提供了可选name参数的函数和子例程定义了bind属性。如果提供了这个参数，编译器将使用程序员指定的名称为这些子例程和函数生成符号。例如，backtrace函数可以从C语言中暴露给Fortran，并保留其命名:

  1. function backtrace(buffer, size) result(bt) bind(C, name="backtrace")

更多信息

interface/CMakeLists.txt中的CMake代码还表明，可以使用不同语言的源文件创建库。CMake能够做到以下几点:

  • 列出的源文件中获取目标文件，并识别要使用哪个编译器。
  • 选择适当的链接器，以便构建库(或可执行文件)。

CMake如何决定使用哪个编译器？在project命令时使用参数LANGUAGES指定，这样CMake会检查系统上给定语言编译器。当使用源文件列表添加目标时，CMake将根据文件扩展名选择适当地编译器。因此，以.c结尾的文件使用C编译器编译，而以.f90结尾的文件(如果需要预处理，可以使用.F90)将使用Fortran编译器编译。类似地，对于C++， .cpp或.cxx扩展将触发C++编译器。我们只列出了C/C++和Fortran语言的一些可能的、有效的文件扩展名，但是CMake可以识别更多的扩展名。如果您的项目中的文件扩展名，由于某种原因不在可识别的扩展名之列，该怎么办？源文件属性可以用来告诉CMake在特定的源文件上使用哪个编译器，就像这样：

  1. set_source_files_properties(my_source_file.axx
  2.   PROPERTIES
  3.       LANGUAGE CXX
  4.   )

那链接器呢？CMake如何确定目标的链接器语言？对于不混合编程语言的目标很简单：通过生成目标文件的编译器命令调用链接器即可。如果目标混合了多个语言，就像示例中一样，则根据在语言混合中，优先级最高的语言来选择链接器语言。比如，我们的示例中混合了Fortran和C，因此Fortran语言比C语言具有更高的优先级，因此使用Fortran用作链接器语言。当混合使用Fortran和C++时，后者具有更高的优先级，因此C++被用作链接器语言。就像编译器语言一样，我们可以通过目标相应的LINKER_LANGUAGE属性，强制CMake为我们的目标使用特定的链接器语言:

  1. set_target_properties(my_target
  2.   PROPERTIES
  3.       LINKER_LANGUAGE Fortran
  4.   )