020a35fec069f34cf6365961750e9fb9aee2edac
[alexxy/gromacs.git] / docs / dev-manual / build-system.rst
1 .. highlight:: bash
2
3 Build system overview
4 =====================
5
6 The |Gromacs| build system uses CMake (version
7 |CMAKE_MINIMUM_REQUIRED_VERSION| or newer is required) to generate the
8 actual build system for the build tool choosen by the user.  See CMake
9 documentation for general introduction to CMake and how to use it.  This
10 documentation focuses on how the |Gromacs| build system is organized and
11 implemented, and what features it provides to developers (some of which may be
12 of interest to advanced users).
13
14 Most developers use ``make`` or ``ninja`` as the underlying build system, so
15 there can be parts of the build system that are specifically designed for
16 command-line consumption with these tools, and may not work ideally with other
17 environments, but basic building should be possible with all the environments
18 supported by CMake.
19
20 Also, the build system and version control is designed for out-of-source
21 builds.  In-source builds mostly work (there are a few custom targets that do
22 not), but no particular effort has been put to, e.g., having :file:`.gitignore`
23 files that exclude all the build outputs, or to have the ``clean`` target
24 remove all possible build outputs.
25
26 Build types
27 -----------
28
29 Build types is a CMake concept that provides overall control of how
30 the build tools are used on the given platform to produce executable
31 code. These can be set in CMake in various ways, including on a
32 command line such as ``cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug``. |Gromacs|
33 supports the following standard CMake build types:
34
35 **Release**
36   Fully optimized code intended for use in production simulation. This is the
37   default.
38
39 **Debug**
40   Compiled code intended for use with debugging tools, with low optimization levels
41   and debug information for symbols.
42
43 **RelWithDebInfo**
44   As Release, but with debug information for symbol names, which can help debugging
45   issues that only emerge in optimized code.
46
47 **MinSizeRel**
48   As Release, but optimized to minimize the size of the resulting executable. This
49   is never a concern for |Gromacs| installations, so should not be used, but
50   probably works.
51
52 Additionally, |Gromacs| provides the following build types for development and
53 testing. Their implementations can be found in ``cmake/gmxBuildTypeXXX.cmake``.
54
55 **Reference**
56   This build type compiles a version of |Gromacs| aimed solely at correctness. All
57   parallelization and optimization possibilities are disabled. This build type is
58   compiled with gcc 5 to generate the regression test reference values, against
59   which all other |Gromacs| builds are tested.
60
61 **RelWithAssert**
62   As Release, but removes ``-DNDEBUG`` from compiler command lines, which makes
63   all assertion statements active (and can have other safety-related side effects
64   in |Gromacs| and code upon which it depends)
65
66 **Profile**
67   As Release, but adds ``-pg`` for use with profiling tools. This is not
68   likely to be effective for profiling the performance of :ref:`gmx mdrun`, but can
69   be useful for the tools.
70
71 **TSAN**
72   Builds |Gromacs| for use with ThreadSanitzer in gcc and clang
73   (http://clang.llvm.org/docs/ThreadSanitizer.html) to detect
74   data races. This disables the use of atomics in ThreadMPI,
75   preferring the mutex-based implementation.
76
77 **ASAN**
78   Builds |Gromacs| for use with AddressSanitzer in gcc and
79   clang (http://clang.llvm.org/docs/AddressSanitizer.html) to
80   detect many kinds of memory mis-use. By default, AddressSanitizer
81   includes LeakSanitizer.
82
83 **MSAN**
84   Builds |Gromacs| for use with AddressSanitzer in clang
85   (http://clang.llvm.org/docs/MemorySanitizer.html) to detect
86   reads of unitialized memory. This functionality requires that
87   dependencies of the |Gromacs| build have been built in a compatible
88   way (roughly, static libraries with ``-g -fsanitize=memory
89   -fno-omit-frame-pointer``), which generally requires at least the C++
90   standard library to have been built specially. The path where the
91   includes and libraries for dependencies should be found for this
92   build type is set in the CMake cache variable
93   ``GMX_MSAN_PATH``. Only internal XDR and internal fftpack are
94   supported at this time.
95
96 For all of the sanitizer builds, to get readable stack traces, you may
97 need to ensure that the ``ASAN_SYMBOLIZER_PATH`` environment variable
98 (or your ``PATH``) include that of the ``llvm-symbolizer`` binary.
99
100 With some generators, CMake generates the build system for more than a
101 single ``CMAKE_BUILD_TYPE`` from one pass over the ``CMakeLists.txt``
102 files, so any code that uses ``CMAKE_BUILD_TYPE`` in
103 ``CMakeLists.txt`` directly will break. |Gromacs| does use such CMake
104 code, so we do not fully support all these build types in such
105 generators (which includes Visual Studio).
106
107 CMake cache variables
108 ---------------------
109
110 This section provides a (currently incomplete) list of cache variables that
111 developers or advanced users can set to affect what CMake generates and/or what
112 will get built.
113
114 .. TODO: Figure out where to document basic variables intended for user
115    consumption, and how does it relate to documentation here.
116
117 .. TODO: Document the remaining variables below, and identify any variables
118    missing from the list.
119
120 Compiler flags
121 ^^^^^^^^^^^^^^
122
123 Standard CMake mechanism for specifying the compiler flags is to use
124 ``CMAKE_C_FLAGS``/``CMAKE_CXX_FLAGS`` for flags that affect all build types,
125 and :samp:`CMAKE_C_FLAGS_{buildtype}`/:samp:`CMAKE_CXX_FLAGS_{buildtype}` for
126 flags that only affect a specific build type.  CMake provides some default flags.
127
128 |Gromacs| determines its own set of default flags, grouped into two categories:
129
130 * Generic flags that are appended to the above default CMake flag variables
131   (possibly for multiple build types), generally specifying optimization flags
132   to use and controlling compiler warnings.
133 * Specific flags for certain features that the build system determines to be
134   necessary for successful compilation.  One example is flags that determine
135   what SIMD instruction set the compiler is allowed to use/needs to support.
136
137 All of the above flags are only added after testing that they work with the
138 provided compiler.
139
140 There is one cache variable to control the behavior of automatic compiler flags:
141
142 .. cmake:: GMX_SKIP_DEFAULT_CFLAGS
143
144    If set ``ON``, the build system will not add any compiler flags
145    automatically (neither generic nor specific as defined above), and will skip
146    most linker flags as well.
147    The default flags that would have been added are instead printed out when
148    :command:`cmake` is run, and the user can set the flags themselves using the
149    CMake variables.
150    If ``OFF`` (the default), the flags are added as described above.
151
152 The code the determine the default generic flags is in
153 :file:`cmake/gmxCFlags.cmake`.
154 Code that sets the specific flags (e.g., SIMD flags) is in the main
155 :file:`CMakeLists.txt`; search for :cmake:`GMX_SKIP_DEFAULT_CFLAGS`.
156 The variables used there can be traced back to the locations where the actual
157 flags to use are determined.
158
159 Variables affecting compilation/linking
160 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
161
162 .. cmake:: GMX_BROKEN_CALLOC
163
164 .. cmake:: GMX_BUILD_FOR_COVERAGE
165
166    Special variable set ``ON`` by Jenkins when doing a build for the coverage
167    job.  Allows the build system to set options to produce as useful coverage
168    metrics as possible.  Currently, it disables all asserts to avoid them
169    showing up as poor conditional coverage.
170    Defaults to ``OFF``, and there should not be any need to change this in a
171    manual build.
172
173    .. TODO: This could likely be replaced by a (yet another) build type.
174
175 .. cmake:: GMX_BUILD_MDRUN_ONLY
176
177    If set ``ON``, the build system is configured to only build and install a
178    single :file:`mdrun` executable.  To be fully functional, the installed
179    :file:`mdrun` requires a standard |Gromacs| installation (with
180    ``GMX_BUILD_MDRUN_ONLY=OFF``) in the same installation prefix, as the
181    mdrun-only build does not install any data files or scripts, only the
182    binary.  This is intended for cases where one wants to/needs to compile one
183    or more instances of :file:`mdrun` with different build options (e.g., MPI
184    or SIMD) than the full installation with the other utilities.
185    Defaults to ``OFF``, in which case a single :file:`gmx` executable is built
186    and installed, together with all the supporting files.  :command:`mdrun` can
187    be executed as :command:`gmx mdrun`.
188
189 .. cmake:: GMX_BUILD_OWN_FFTW
190
191 .. cmake:: GMX_BUILD_SHARED_EXE
192
193 .. cmake:: GMX_COMPILER_WARNINGS
194
195    If set ``ON``, various compiler warnings are enabled for compilers that
196    Jenkins uses for verification.
197    Defaults to ``OFF`` when building from a source tarball so that users
198    compiling with versions not tested on Jenkins are not exposed to our rather
199    aggressive warning flags that can trigger a lot of warnings with, e.g., new
200    versions of the compilers we use.
201    When building from a git repository, defaults to ``ON``.
202
203 .. cmake:: GMX_CYCLE_SUBCOUNTERS
204
205    If set to ``ON``, enables performance subcounters that offer more
206    fine-grained mdrun performance measurement and evaluation than the default
207    counters. See :doc:`/user-guide/mdrun-performance` for the description of
208    subcounters which are available.
209    Defaults to ``OFF``.
210
211 .. cmake:: GMX_ENABLE_CCACHE
212
213     If set to ``ON``, attempts to set up the `ccache <https://ccache.samba.org>`_
214     caching compiler wrapper to speed up repeated builds.
215     The ``ccache`` executable is searched for with ``find_package()`` if CMake
216     is being run with a compatible build type.
217     If the executable is found and a compatible compiler is configured,
218     CMake launch wrapper scripts are set.
219     If enabled, the ``ccache`` executable location discovered by CMake must be
220     accessible during build, as well.
221     Defaults to ``OFF`` to minimize build system complexity.
222
223 .. cmake:: GMX_INSTALL_DATASUBDIR
224
225    Sets the subdirectory under CMAKE_INSTALL_DATADIR where GROMACS-specific
226    read-only architecture-independent data files are installed. The default
227    is ``gromacs``, which means the files will go under ``share/gromacs``.
228    To alter the ``share`` part, change CMAKE_INSTALL_DATADIR.
229    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
230
231 .. cmake:: GMX_DOUBLE
232
233    Many part of |Gromacs| are implemented in terms of "real" precision,
234    which is actually either a single- or double-precision type,
235    according to the value of this flag. Some parts of the code
236    deliberately use single- or double-precision types, and these are
237    unaffected by this setting. See reference manual for further
238    information.
239
240 .. cmake:: GMX_RELAXED_DOUBLE_PRECISION
241
242    Permit a double-precision configuration to compute some quantities
243    to single-precision accuracy. Particularly on architectures where
244    only double-precision SIMD is available (e.g. Sparc machines such
245    as the K computer), it is faster to default to ``GMX_DOUBLE=ON``
246    and use SIMD than to use ``GMX_DOUBLE=OFF`` and use no
247    SIMD. However, if the user does not need full double precision,
248    then some optimizations can achieve the equivalent of
249    single-precision results (e.g. fewer Newton-Raphson iterations for
250    a reciprocal square root computation).
251
252 .. cmake:: GMX_EXTRAE
253
254 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_BLAS
255
256 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_LAPACK
257
258 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_TNG
259
260 .. cmake:: GMX_FFT_LIBRARY
261
262 .. cmake:: GMX_GIT_VERSION_INFO
263
264    Whether to generate version information dynamically from git for each build
265    (e.g., HEAD commit hash).
266    Defaults to ``ON`` if the build is from a git repository and :command:`git`
267    is found, otherwise ``OFF``.
268    If ``OFF``, static version information from
269    :file:`cmake/gmxVersionInfo.cmake` is used.
270
271 .. cmake:: GMX_GPU
272
273 .. cmake:: GMX_CLANG_CUDA
274
275    Use clang for compiling CUDA GPU code, both host and device.
276
277 .. cmake:: GMX_CUDA_CLANG_FLAGS
278
279     Pass additional CUDA-only compiler flags to clang using this variable.
280
281 .. cmake:: CMAKE_INSTALL_LIBDIR
282
283    Sets the installation directory for libraries (default is determined by
284    standard CMake package ``GNUInstallDirs``).
285    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
286
287 .. cmake:: GMX_LOAD_PLUGINS
288
289 .. cmake:: GMX_MPI
290
291 .. cmake:: GMX_OPENMP
292
293 .. cmake:: GMX_PREFER_STATIC_LIBS
294
295 .. cmake:: GMX_SIMD
296
297 .. cmake:: GMX_SOFTWARE_INVSQRT
298
299 .. cmake:: GMX_THREAD_MPI
300
301 .. cmake:: GMX_USE_RDTSCP
302
303 .. cmake:: GMX_USE_TNG
304
305 .. cmake:: GMX_VMD_PLUGIN_PATH
306
307 .. cmake:: GMX_X11
308
309 .. cmake:: GMX_XML
310
311    Currently, this option has no effect on the compilation or linking, since
312    there is no code outside the tests that would use :file:`libxml2`.
313
314 Variables affecting the ``all`` target
315 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
316
317 .. cmake:: BUILD_TESTING
318
319    Standard variable created by CTest that enables/disables all tests.
320    Defaults to ``ON``.
321
322 .. cmake:: GMX_BUILD_HELP
323
324    Controls handling of man pages and shell completions.  Possible values:
325
326    ``OFF`` (default for builds from release source distribution)
327      Man pages and shell completions are not generated as part of the ``all``
328      target, and only installed if compiling from a source package.
329    ``AUTO`` (default for builds from development version)
330      Shell completions are generated by executing the :file:`gmx` binary as
331      part of the ``all`` target.  If it fails, a message is printed, but the
332      build succeeds.
333      Man pages need to be generated manually by invoking the ``man`` target.
334      Man pages and shell completions are installed if they have been
335      successfully generated.
336    ``ON``
337      Works the same as ``AUTO``, except that if invoking the :file:`gmx` binary
338      fails, the build fails as well.
339
340 .. cmake:: GMX_DEVELOPER_BUILD
341
342    If set ``ON``, the ``all`` target will include also the test binaries using
343    Google Test (if :cmake:`GMX_BUILD_UNITTESTS` is ``ON``).
344    Also, :cmake:`GMX_COMPILER_WARNINGS` is always enabled.
345    In the future, other developer convenience features (as well as features
346    inconvenient for a general user) can be added to the set controlled by this
347    variable.
348
349 Variables affecting special targets
350 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
351
352 .. cmake:: GMXAPI
353
354     If set ``ON``, the additional ``gmxapi`` C++ library is configured and the
355     ``gmxapi`` headers will be installed. Provides the additional build tree
356     targets ``gmxapi-cppdocs`` and ``gmxapi-cppdocs-dev`` when Doxygen is
357     available. Also exports CMake configuration files for ``gmxapi`` that allow
358     ``find_package(gmxapi)`` to import the ``Gromacs::gmxapi`` CMake target in
359     client projects that search the GROMACS installation root.
360
361 .. cmake:: GMX_BUILD_MANUAL
362
363    If set ``ON``, CMake detection for LaTeX and other prerequisites for the
364    reference PDF manual is done, and the ``manual`` target for building the
365    manual is generated.
366    If ``OFF`` (the default), all detection is skipped and the manual cannot be
367    built.
368
369    .. TODO: Consider if this is really necessary, or if we could just use
370       GMX_DEVELOPER_BUILD.
371
372 .. cmake:: GMX_BUILD_TARBALL
373
374    If set ``ON``, ``-dev`` suffix is stripped off from version strings and some
375    other version info logic is adjusted such that the man pages and other
376    documentation generated from this build is suitable for releasing (on the
377    web page and/or in the source distribution package).
378    Defaults to ``OFF``.
379
380 .. cmake:: GMX_BUILD_UNITTESTS
381
382    If ``ON``, test binaries using Google Test are built (either as the separate
383    ``tests`` targer, or also as part of the ``all`` target, depending on
384    :cmake:`GMX_DEVELOPER_BUILD`).  All dependencies required for building the
385    tests (Google Test and Google Mock frameworks, and tinyxml2) are
386    included in :file:`src/external/`.
387    Defaults to ``ON`` if :cmake:`BUILD_TESTING` is ``ON``.
388
389 .. cmake:: GMX_COMPACT_DOXYGEN
390
391    If set ``ON``, Doxygen configuration is changed to avoid generating large
392    dependency graphs, which makes it significantly faster to run Doxygen and
393    reduces disk usage.  This is typically useful when developing the
394    documentation to reduce the build times.
395    Defaults to ``OFF``.
396
397 .. cmake:: REGRESSIONTEST_DOWNLOAD
398
399    If set ``ON``, CMake will download the regression tests and extract them to
400    a local directory.  :cmake:`REGRESSIONTEST_PATH` is set to the extracted
401    tests.  Note that this happens during the configure phase, not during the
402    build.
403    After the download is done, the variable is automatically reset to ``OFF``
404    again to avoid repeated downloads.  Can be set to ``ON`` to download again.
405    Defaults to ``OFF``.
406
407 .. cmake:: REGRESSIONTEST_PATH
408
409    Path to extracted regression test suite matching the source tree (the
410    directory containing :file:`gmxtest.pl`)
411    If set, CTest tests are generated to run the regression tests.
412    Defaults to empty.
413
414 .. cmake:: SOURCE_MD5SUM
415
416    Sets the MD5 sum of the release tarball when generating the HTML
417    documentation.  It gets inserted into the download section of the HTML
418    pages.
419
420 External libraries
421 ------------------
422
423 .. TODO: List external libraries used (either from src/external/, or from the
424    system), whether they are required or optional, what functionality they
425    provide for Gromacs, and how to control their use.
426
427 Special targets
428 ---------------
429
430 In addition to the default ``all`` target, the generated build system has
431 several custom targets that are intended to be explicitly built to perform
432 various tasks (some of these may also run automatically).  There are various
433 other targets as well used internally by these, but those are typically not
434 intended to be invoked directly.
435
436 check
437    Builds all the binaries needed by the tests and runs the tests.  If some
438    types of tests are not available, shows a note to the user.
439    This is the main target intended for normal users to run the tests.
440    See :doc:`testutils`.
441 check-source
442    Runs a custom Python checker script to check for various source-level
443    issues.  Uses Doxygen XML documentation as well as rudimentary parsing of
444    some parts of the source files.
445    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
446    All CMake code is currently in :file:`docs/doxygen/`.
447    See :doc:`gmxtree`.
448 completion
449    Runs the compiled :file:`gmx` executable to generate shell command-line
450    completion definitions.  This target is only added if
451    :cmake:`GMX_BUILD_HELP` is not ``OFF``, and it is run automatically as part
452    of the default ``all`` target.  See :cmake:`GMX_BUILD_HELP`.
453    All CMake code is in :file:`src/programs/`.
454 dep-graphs*
455    Builds include dependency graphs for the source files using :command:`dot`
456    from graphviz.
457    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
458    See :doc:`gmxtree`.
459 doxygen-*
460    Targets that run Doxygen to generate the documentation.
461    The ``doxygen-all`` target runs as part of the ``webpage`` target, which in
462    turn runs as part of the Jenkins documentation job.
463    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
464    See :doc:`doxygen`.
465 gmxapi-cppdocs
466     Builds API documentation for gmxapi. Useful to authors of client software.
467     Documentation is generated in :file:`docs/api-user` in the build directory.
468 gmxapi-cppdocs-dev
469     Extract documentation for gmxapi and GROMACS developers to
470     :file:`docs/api-dev`.
471 install-guide
472    Runs Sphinx to generate a plain-text INSTALL file for the source package.
473    The files is generated at :file:`docs/install-guide/text/`, from where it
474    gets put at the root of the source package by CPack.
475    All CMake code is in :file:`docs/`.
476 man
477    Runs Sphinx to generate man pages for the programs.
478    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate the
479    input files for Sphinx.
480    All CMake code is in :file:`docs/`.
481    See :cmake:`GMX_BUILD_HELP` for information on when the man pages are
482    installed.
483 manual
484    Runs LaTeX to generate the reference PDF manual.
485    All CMake code is in :file:`docs/manual/`.
486    See :cmake:`GMX_BUILD_MANUAL`.
487 package_source
488    Standard target created by CPack that builds a source package.
489    This target is used to generate the released source packages.
490 test
491    Standard target created by CTest that runs all the registered tests.
492    Note that this does not build the test binaries, only runs them, so you need
493    to first ensure that they are up-to-date.
494    See :doc:`testutils`.
495 tests
496    Builds all the binaries needed by the tests (but not ``gmx``).
497    See :doc:`testutils`.
498 webpage
499    Collection target that runs the other documentation targets to generate the
500    full set of HTML (and linked) documentaion.
501    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
502    All CMake code is in :file:`docs/`.
503 webpage-sphinx
504    Runs Sphinx to generate most content for the HTML documentation (the set of
505    web pages this developer guide is also part of).
506    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate some
507    input files for Sphinx.
508    All CMake code is in :file:`docs/`.
509
510 Passing information to source code
511 ----------------------------------
512
513 The build system uses a few different mechanisms to influence the compilation:
514
515 * On the highest level, some CMake options select what files will be compiled.
516 * Some options are passed on the compiler command line using ``-D`` or
517   equivalent, such that they are available in every compilation unit.  This
518   should be used with care to keep the compiler command lines manageable.
519   You can find the current set of such defines with ::
520
521     git grep add_definitions
522
523 * A few header files are generated using CMake ``configure_file()`` and
524   included in the desired source files.  These files must exist for the
525   compilation to pass.  Only a few files use an ``#ifdef HAVE_CONFIG_H`` to
526   protect against inclusion in case the define is not set; this is used in
527   files that may get compiled outside the main build system.
528
529   :file:`buildinfo.h`
530     Contains various strings about the build environment, used mainly for
531     outputting version information to log files and when requested.
532   :file:`config.h`
533     Contains defines for conditional compilation within source files.
534   :file:`gmxpre-config.h`
535     Included by :file:`gmxpre.h` as the first thing in every source file.
536     Should only contain defines that are required before any other header for
537     correct operation.  For example, defines that affect the behavior of system
538     headers fall in this category.  See Doxygen documentation for
539     :file:`gmxpre.h`.
540
541   All the above files get generated in :file:`src/`.
542
543   Additionally, the following file is generated by the build system:
544
545   :file:`baseversion-gen.cpp`
546     Provides definitions for declarations in :file:`baseversion-gen.h` for
547     version info output.  The contents are generated either from Git version
548     info, or from static version info if not building from a git repository.