459a9a737a530df137b81c38035be4afa483f8c4
[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 4.7 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 >= 4.8 and clang
73   >= 3.4 (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 >= 4.8 and
79   clang >= 3.4 (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 >= 3.4
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_DATA_INSTALL_DIR
212
213    Sets the directory under :file:`share/` where data files are installed.
214    The default is ``gromacs``, which puts the files under
215    file:`share/gromacs/`.
216    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
217
218 .. cmake:: GMX_DOUBLE
219
220    Many part of |Gromacs| are implemented in terms of "real" precision,
221    which is actually either a single- or double-precision type,
222    according to the value of this flag. Some parts of the code
223    deliberately use single- or double-precision types, and these are
224    unaffected by this setting. See reference manual for further
225    information.
226
227 .. cmake:: GMX_RELAXED_DOUBLE_PRECISION
228
229    Permit a double-precision configuration to compute some quantities
230    to single-precision accuracy. Particularly on architectures where
231    only double-precision SIMD is available (e.g. Sparc machines such
232    as the K computer), it is faster to default to ``GMX_DOUBLE=ON``
233    and use SIMD than to use ``GMX_DOUBLE=OFF`` and use no
234    SIMD. However, if the user does not need full double precision,
235    then some optimizations can achieve the equivalent of
236    single-precision results (e.g. fewer Newton-Raphson iterations for
237    a reciprocal square root computation).
238
239 .. cmake:: GMX_EXTRAE
240
241 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_BLAS
242
243 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_LAPACK
244
245 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_TNG
246
247 .. cmake:: GMX_FFT_LIBRARY
248
249 .. cmake:: GMX_GIT_VERSION_INFO
250
251    Whether to generate version information dynamically from git for each build
252    (e.g., HEAD commit hash).
253    Defaults to ``ON`` if the build is from a git repository and :command:`git`
254    is found, otherwise ``OFF``.
255    If ``OFF``, static version information from
256    :file:`cmake/gmxVersionInfo.cmake` is used.
257
258 .. cmake:: GMX_GPU
259
260 .. cmake:: GMX_CLANG_CUDA
261
262    Use clang for compiling CUDA GPU code, both host and device.
263
264 .. cmake:: GMX_CUDA_CLANG_FLAGS
265
266     Pass additional CUDA-only compiler flags to clang using this variable.
267
268 .. cmake:: GMX_LIB_INSTALL_DIR
269
270    Sets the installation directory for libraries (default is determined by
271    standard CMake package ``GNUInstallDirs``).
272    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
273
274 .. cmake:: GMX_LOAD_PLUGINS
275
276 .. cmake:: GMX_MPI
277
278 .. cmake:: GMX_OPENMP
279
280 .. cmake:: GMX_PREFER_STATIC_LIBS
281
282 .. cmake:: GMX_SIMD
283
284 .. cmake:: GMX_SOFTWARE_INVSQRT
285
286 .. cmake:: GMX_THREAD_MPI
287
288 .. cmake:: GMX_USE_RDTSCP
289
290 .. cmake:: GMX_USE_TNG
291
292 .. cmake:: GMX_VMD_PLUGIN_PATH
293
294 .. cmake:: GMX_X11
295
296 .. cmake:: GMX_XML
297
298    Currently, this option has no effect on the compilation or linking, since
299    there is no code outside the tests that would use :file:`libxml2`.
300
301 Variables affecting the ``all`` target
302 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
303
304 .. cmake:: BUILD_TESTING
305
306    Standard variable created by CTest that enables/disables all tests.
307    Defaults to ``ON``.
308
309 .. cmake:: GMX_BUILD_HELP
310
311    Controls handling of man pages and shell completions.  Possible values:
312
313    ``OFF`` (default for builds from release source distribution)
314      Man pages and shell completions are not generated as part of the ``all``
315      target, and only installed if compiling from a source package.
316    ``AUTO`` (default for builds from development version)
317      Shell completions are generated by executing the :file:`gmx` binary as
318      part of the ``all`` target.  If it fails, a message is printed, but the
319      build succeeds.
320      Man pages need to be generated manually by invoking the ``man`` target.
321      Man pages and shell completions are installed if they have been
322      successfully generated.
323    ``ON``
324      Works the same as ``AUTO``, except that if invoking the :file:`gmx` binary
325      fails, the build fails as well.
326
327 .. cmake:: GMX_DEVELOPER_BUILD
328
329    If set ``ON``, the ``all`` target will include also the test binaries using
330    Google Test (if :cmake:`GMX_BUILD_UNITTESTS` is ``ON``).
331    Also, :cmake:`GMX_COMPILER_WARNINGS` is always enabled.
332    In the future, other developer convenience features (as well as features
333    inconvenient for a general user) can be added to the set controlled by this
334    variable.
335
336 Variables affecting special targets
337 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
338
339 .. cmake:: CPPCHECK_XML_OUTPUT
340
341    If set ``ON``, the ``cppcheck`` target generates reports for all found
342    issues in XML format.  This is used by Jenkins, which parses the XML files
343    to show the issues on the web page.
344    If ``OFF`` (the default), issues are reported as plain text to standard
345    output and to a text file.
346
347 .. cmake:: GMX_BUILD_MANUAL
348
349    If set ``ON``, CMake detection for LaTeX and other prerequisites for the
350    reference PDF manual is done, and the ``manual`` target for building the
351    manual is generated.
352    If ``OFF`` (the default), all detection is skipped and the manual cannot be
353    built.
354
355    .. TODO: Consider if this is really necessary, or if we could just use
356       GMX_DEVELOPER_BUILD.
357
358 .. cmake:: GMX_BUILD_TARBALL
359
360    If set ``ON``, ``-dev`` suffix is stripped off from version strings and some
361    other version info logic is adjusted such that the man pages and other
362    documentation generated from this build is suitable for releasing (on the
363    web page and/or in the source distribution package).
364    Defaults to ``OFF``.
365
366 .. cmake:: GMX_BUILD_UNITTESTS
367
368    If ``ON``, test binaries using Google Test are built (either as the separate
369    ``tests`` targer, or also as part of the ``all`` target, depending on
370    :cmake:`GMX_DEVELOPER_BUILD`).  All dependencies required for building the
371    tests (Google Test and Google Mock frameworks, and tinyxml2) are
372    included in :file:`src/external/`.
373    Defaults to ``ON`` if :cmake:`BUILD_TESTING` is ``ON``.
374
375 .. cmake:: GMX_COMPACT_DOXYGEN
376
377    If set ``ON``, Doxygen configuration is changed to avoid generating large
378    dependency graphs, which makes it significantly faster to run Doxygen and
379    reduces disk usage.  This is typically useful when developing the
380    documentation to reduce the build times.
381    Defaults to ``OFF``.
382
383 .. cmake:: REGRESSIONTEST_DOWNLOAD
384
385    If set ``ON``, CMake will download the regression tests and extract them to
386    a local directory.  :cmake:`REGRESSIONTEST_PATH` is set to the extracted
387    tests.  Note that this happens during the configure phase, not during the
388    build.
389    After the download is done, the variable is automatically reset to ``OFF``
390    again to avoid repeated downloads.  Can be set to ``ON`` to download again.
391    Defaults to ``OFF``.
392
393 .. cmake:: REGRESSIONTEST_PATH
394
395    Path to extracted regression test suite matching the source tree (the
396    directory containing :file:`gmxtest.pl`)
397    If set, CTest tests are generated to run the regression tests.
398    Defaults to empty.
399
400 .. cmake:: SOURCE_MD5SUM
401
402    Sets the MD5 sum of the release tarball when generating the HTML
403    documentation.  It gets inserted into the download section of the HTML
404    pages.
405
406 External libraries
407 ------------------
408
409 .. TODO: List external libraries used (either from src/external/, or from the
410    system), whether they are required or optional, what functionality they
411    provide for Gromacs, and how to control their use.
412
413 Special targets
414 ---------------
415
416 In addition to the default ``all`` target, the generated build system has
417 several custom targets that are intended to be explicitly built to perform
418 various tasks (some of these may also run automatically).  There are various
419 other targets as well used internally by these, but those are typically not
420 intended to be invoked directly.
421
422 check
423    Builds all the binaries needed by the tests and runs the tests.  If some
424    types of tests are not available, shows a note to the user.
425    This is the main target intended for normal users to run the tests.
426    See :doc:`testutils`.
427 check-source
428    Runs a custom Python checker script to check for various source-level
429    issues.  Uses Doxygen XML documentation as well as rudimentary parsing of
430    some parts of the source files.
431    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
432    All CMake code is currently in :file:`docs/doxygen/`.
433    See :doc:`gmxtree`.
434 completion
435    Runs the compiled :file:`gmx` executable to generate shell command-line
436    completion definitions.  This target is only added if
437    :cmake:`GMX_BUILD_HELP` is not ``OFF``, and it is run automatically as part
438    of the default ``all`` target.  See :cmake:`GMX_BUILD_HELP`.
439    All CMake code is in :file:`src/programs/`.
440 cppcheck
441    Runs :command:`cppcheck` with the flags used in Jenkins for all the source
442    files.  This target is directly used by the Jenkins cppcheck job.
443    All CMake code is in :file:`tests/CppCheck.cmake`.
444 dep-graphs*
445    Builds include dependency graphs for the source files using :command:`dot`
446    from graphviz.
447    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
448    See :doc:`gmxtree`.
449 doxygen-*
450    Targets that run Doxygen to generate the documentation.
451    The ``doxygen-all`` target runs as part of the ``webpage`` target, which in
452    turn runs as part of the Jenkins documentation job.
453    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
454    See :doc:`doxygen`.
455 install-guide
456    Runs Sphinx to generate a plain-text INSTALL file for the source package.
457    The files is generated at :file:`docs/install-guide/text/`, from where it
458    gets put at the root of the source package by CPack.
459    All CMake code is in :file:`docs/`.
460 man
461    Runs Sphinx to generate man pages for the programs.
462    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate the
463    input files for Sphinx.
464    All CMake code is in :file:`docs/`.
465    See :cmake:`GMX_BUILD_HELP` for information on when the man pages are
466    installed.
467 manual
468    Runs LaTeX to generate the reference PDF manual.
469    All CMake code is in :file:`docs/manual/`.
470    See :cmake:`GMX_BUILD_MANUAL`.
471 package_source
472    Standard target created by CPack that builds a source package.
473    This target is used to generate the released source packages.
474 test
475    Standard target created by CTest that runs all the registered tests.
476    Note that this does not build the test binaries, only runs them, so you need
477    to first ensure that they are up-to-date.
478    See :doc:`testutils`.
479 tests
480    Builds all the binaries needed by the tests (but not ``gmx``).
481    See :doc:`testutils`.
482 webpage
483    Collection target that runs the other documentation targets to generate the
484    full set of HTML (and linked) documentaion.
485    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
486    All CMake code is in :file:`docs/`.
487 webpage-sphinx
488    Runs Sphinx to generate most content for the HTML documentation (the set of
489    web pages this developer guide is also part of).
490    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate some
491    input files for Sphinx.
492    All CMake code is in :file:`docs/`.
493
494 Passing information to source code
495 ----------------------------------
496
497 The build system uses a few different mechanisms to influence the compilation:
498
499 * On the highest level, some CMake options select what files will be compiled.
500 * Some options are passed on the compiler command line using ``-D`` or
501   equivalent, such that they are available in every compilation unit.  This
502   should be used with care to keep the compiler command lines manageable.
503   You can find the current set of such defines with ::
504
505     git grep add_definitions
506
507 * A few header files are generated using CMake ``configure_file()`` and
508   included in the desired source files.  These files must exist for the
509   compilation to pass.  Only a few files use an ``#ifdef HAVE_CONFIG_H`` to
510   protect against inclusion in case the define is not set; this is used in
511   files that may get compiled outside the main build system.
512
513   :file:`buildinfo.h`
514     Contains various strings about the build environment, used mainly for
515     outputting version information to log files and when requested.
516   :file:`config.h`
517     Contains defines for conditional compilation within source files.
518   :file:`gmxpre-config.h`
519     Included by :file:`gmxpre.h` as the first thing in every source file.
520     Should only contain defines that are required before any other header for
521     correct operation.  For example, defines that affect the behavior of system
522     headers fall in this category.  See Doxygen documentation for
523     :file:`gmxpre.h`.
524
525   All the above files get generated in :file:`src/`.
526
527   Additionally, the following file is generated by the build system:
528
529   :file:`baseversion-gen.c`
530     Provides definitions for declarations in :file:`baseversion-gen.h` for
531     version info output.  The contents are generated either from Git version
532     info, or from static version info if not building from a git repository.