9c848a342e15db96b9cf368e469685478dcaaa3c
[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::
115
116    Figure out where to document basic variables intended for user
117    consumption, and how does it relate to documentation here.
118
119 .. todo::
120
121    Document the remaining variables below, and identify any variables
122    missing from the list.
123
124 Compiler flags
125 ^^^^^^^^^^^^^^
126
127 Standard CMake mechanism for specifying the compiler flags is to use
128 ``CMAKE_C_FLAGS``/``CMAKE_CXX_FLAGS`` for flags that affect all build types,
129 and :samp:`CMAKE_C_FLAGS_{buildtype}`/:samp:`CMAKE_CXX_FLAGS_{buildtype}` for
130 flags that only affect a specific build type.  CMake provides some default flags.
131
132 |Gromacs| determines its own set of default flags, grouped into two categories:
133
134 * Generic flags that are appended to the above default CMake flag variables
135   (possibly for multiple build types), generally specifying optimization flags
136   to use and controlling compiler warnings.
137 * Specific flags for certain features that the build system determines to be
138   necessary for successful compilation.  One example is flags that determine
139   what SIMD instruction set the compiler is allowed to use/needs to support.
140
141 All of the above flags are only added after testing that they work with the
142 provided compiler.
143
144 There is one cache variable to control the behavior of automatic compiler flags:
145
146 .. cmake:: GMX_SKIP_DEFAULT_CFLAGS
147
148    If set ``ON``, the build system will not add any compiler flags
149    automatically (neither generic nor specific as defined above), and will skip
150    most linker flags as well.
151    The default flags that would have been added are instead printed out when
152    :command:`cmake` is run, and the user can set the flags themselves using the
153    CMake variables.
154    If ``OFF`` (the default), the flags are added as described above.
155
156 The code the determine the default generic flags is in
157 :file:`cmake/gmxCFlags.cmake`.
158 Code that sets the specific flags (e.g., SIMD flags) is in the main
159 :file:`CMakeLists.txt`; search for :cmake:`GMX_SKIP_DEFAULT_CFLAGS`.
160 The variables used there can be traced back to the locations where the actual
161 flags to use are determined.
162
163 Variables affecting compilation/linking
164 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
165
166 .. cmake:: GMX_BROKEN_CALLOC
167
168 .. cmake:: GMX_BUILD_FOR_COVERAGE
169
170    Special variable set ``ON`` by Jenkins when doing a build for the coverage
171    job.  Allows the build system to set options to produce as useful coverage
172    metrics as possible.  Currently, it disables all asserts to avoid them
173    showing up as poor conditional coverage.
174    Defaults to ``OFF``, and there should not be any need to change this in a
175    manual build.
176
177    .. todo:: This could likely be replaced by a (yet another) build type.
178
179 .. cmake:: GMX_BUILD_OWN_FFTW
180
181 .. cmake:: GMX_BUILD_SHARED_EXE
182
183 .. cmake:: GMX_COMPILER_WARNINGS
184
185    If set ``ON``, various compiler warnings are enabled for compilers that
186    Jenkins uses for verification.
187    Defaults to ``OFF`` when building from a source tarball so that users
188    compiling with versions not tested on Jenkins are not exposed to our rather
189    aggressive warning flags that can trigger a lot of warnings with, e.g., new
190    versions of the compilers we use.
191    When building from a git repository, defaults to ``ON``.
192
193 .. cmake:: GMX_CYCLE_SUBCOUNTERS
194
195    If set to ``ON``, enables performance subcounters that offer more
196    fine-grained mdrun performance measurement and evaluation than the default
197    counters. See :doc:`/user-guide/mdrun-performance` for the description of
198    subcounters which are available.
199    Defaults to ``OFF``.
200
201 .. cmake:: GMX_ENABLE_CCACHE
202
203     If set to ``ON``, attempts to set up the `ccache <https://ccache.samba.org>`_
204     caching compiler wrapper to speed up repeated builds.
205     The ``ccache`` executable is searched for with ``find_package()`` if CMake
206     is being run with a compatible build type.
207     If the executable is found and a compatible compiler is configured,
208     CMake launch wrapper scripts are set.
209     If enabled, the ``ccache`` executable location discovered by CMake must be
210     accessible during build, as well.
211     Defaults to ``OFF`` to minimize build system complexity.
212
213 .. cmake:: GMX_INSTALL_DATASUBDIR
214
215    Sets the subdirectory under CMAKE_INSTALL_DATADIR where GROMACS-specific
216    read-only architecture-independent data files are installed. The default
217    is ``gromacs``, which means the files will go under ``share/gromacs``.
218    To alter the ``share`` part, change CMAKE_INSTALL_DATADIR.
219    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
220
221 .. cmake:: GMX_DOUBLE
222
223    Many part of |Gromacs| are implemented in terms of "real" precision,
224    which is actually either a single- or double-precision type,
225    according to the value of this flag. Some parts of the code
226    deliberately use single- or double-precision types, and these are
227    unaffected by this setting. See reference manual for further
228    information.
229
230 .. cmake:: GMX_EXTRAE
231
232 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_BLAS
233
234 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_LAPACK
235
236 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_TNG
237
238 .. cmake:: GMX_FFT_LIBRARY
239
240 .. cmake:: GMX_GIT_VERSION_INFO
241
242    Whether to generate version information dynamically from git for each build
243    (e.g., HEAD commit hash).
244    Defaults to ``ON`` if the build is from a git repository and :command:`git`
245    is found, otherwise ``OFF``.
246    If ``OFF``, static version information from
247    :file:`cmake/gmxVersionInfo.cmake` is used.
248
249 .. cmake:: GMX_GPU
250
251 .. cmake:: GMX_CLANG_CUDA
252
253    Use clang for compiling CUDA GPU code, both host and device.
254
255 .. cmake:: GMX_CUDA_CLANG_FLAGS
256
257     Pass additional CUDA-only compiler flags to clang using this variable.
258
259 .. cmake:: CMAKE_INSTALL_LIBDIR
260
261    Sets the installation directory for libraries (default is determined by
262    standard CMake package ``GNUInstallDirs``).
263    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
264
265 .. cmake:: GMX_LOAD_PLUGINS
266
267 .. cmake:: GMX_MPI
268
269 .. cmake:: GMX_OPENMP
270
271 .. cmake:: GMX_PREFER_STATIC_LIBS
272
273 .. cmake:: GMX_SIMD
274
275 .. cmake:: GMX_SOFTWARE_INVSQRT
276
277 .. cmake:: GMX_THREAD_MPI
278
279 .. cmake:: GMX_USE_RDTSCP
280
281 .. cmake:: GMX_USE_TNG
282
283 .. cmake:: GMX_VMD_PLUGIN_PATH
284
285 .. cmake:: GMX_X11
286
287 .. cmake:: GMX_XML
288
289    Currently, this option has no effect on the compilation or linking, since
290    there is no code outside the tests that would use :file:`libxml2`.
291
292 Variables affecting the ``all`` target
293 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
294
295 .. cmake:: BUILD_TESTING
296
297    Standard variable created by CTest that enables/disables all tests.
298    Defaults to ``ON``.
299
300 .. cmake:: GMX_BUILD_HELP
301
302    Controls handling of man pages and shell completions.  Possible values:
303
304    ``OFF`` (default for builds from release source distribution)
305      Man pages and shell completions are not generated as part of the ``all``
306      target, and only installed if compiling from a source package.
307    ``AUTO`` (default for builds from development version)
308      Shell completions are generated by executing the :file:`gmx` binary as
309      part of the ``all`` target.  If it fails, a message is printed, but the
310      build succeeds.
311      Man pages need to be generated manually by invoking the ``man`` target.
312      Man pages and shell completions are installed if they have been
313      successfully generated.
314    ``ON``
315      Works the same as ``AUTO``, except that if invoking the :file:`gmx` binary
316      fails, the build fails as well.
317
318 .. cmake:: GMX_DEVELOPER_BUILD
319
320    If set ``ON``, the ``all`` target will include also the test binaries using
321    Google Test (if :cmake:`GMX_BUILD_UNITTESTS` is ``ON``).
322    Also, :cmake:`GMX_COMPILER_WARNINGS` is always enabled.
323    In the future, other developer convenience features (as well as features
324    inconvenient for a general user) can be added to the set controlled by this
325    variable.
326
327 .. cmake:: GMX_CLANG_TIDY
328
329   `clang-tidy <http://releases.llvm.org/9.0.0/tools/clang/tools/extra/docs/clang-tidy/index.html>`_
330   is used for static code analysis and (some) automated fixing of issues detected. clang-tidy is easy to install. It is contained in
331   the llvm binary `package <http://releases.llvm.org/download.html#9.0.0>`_. Only
332   version 9.0.* with libstdc++<7 or libc++ is supported. Others might miss tests or give false positives.
333   It is run automatically in gitlab CI for each commit. Many checks have fixes which can automatically be
334   applied. To run it, the build has to be configured with
335   ``cmake -DGMX_CLANG_TIDY=ON -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug``.
336   Any ``CMAKE_BUILD_TYPE`` which enables asserts (e.g. ASAN) works. Such a configured build will
337   run both the compiler as well as clang-tidy when building. The name of the clang-tidy executable is set with
338   ``-DCLANG_TIDY=...``, and the full path to it can be set with ``-DCLANG_TIDY_EXE=...``.
339   To apply the automatic fixes to the issue identified clang-tidy should be run seperately (running clang-tidy
340   with ``-fix-errors`` as part of the build can corrupt header files). To fix a specific file run
341   ``clang-tidy -fix-errors -header-filter '.*' {file}``, to fix all files in parallel
342   ``run-clang-tidy.py -fix -header-filter '.*' '(?<!/selection/parser\.cpp|selection/scanner\.cpp)$'``,
343   and to fix all modified files ``run-clang-tidy.py -fix -header-filter '.*' $(git diff HEAD --name-only)``.
344   The run-clang-tidy.py script is in the
345   ``share/clang/`` subfolder of the llvm distribution. ``clang-tidy`` has to be able to find the
346   ``compile_commands.json`` file. Either run from the build folder or add a symlink to the source folder.
347   :cmake:`GMX_ENABLE_CCACHE` does not work with clang-tidy.
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::
424
425    List external libraries used (either from src/external/, or from the
426    system), whether they are required or optional, what functionality they
427    provide for Gromacs, and how to control their use.
428
429 Special targets
430 ---------------
431
432 In addition to the default ``all`` target, the generated build system has
433 several custom targets that are intended to be explicitly built to perform
434 various tasks (some of these may also run automatically).  There are various
435 other targets as well used internally by these, but those are typically not
436 intended to be invoked directly.
437
438 check
439    Builds all the binaries needed by the tests and runs the tests.  If some
440    types of tests are not available, shows a note to the user.
441    This is the main target intended for normal users to run the tests.
442    See :doc:`testutils`.
443 check-source
444    Runs a custom Python checker script to check for various source-level
445    issues.  Uses Doxygen XML documentation as well as rudimentary parsing of
446    some parts of the source files.
447    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
448    All CMake code is currently in :file:`docs/doxygen/`.
449    See :doc:`gmxtree`.
450 completion
451    Runs the compiled :file:`gmx` executable to generate shell command-line
452    completion definitions.  This target is only added if
453    :cmake:`GMX_BUILD_HELP` is not ``OFF``, and it is run automatically as part
454    of the default ``all`` target.  See :cmake:`GMX_BUILD_HELP`.
455    All CMake code is in :file:`src/programs/`.
456 dep-graphs*
457    Builds include dependency graphs for the source files using :command:`dot`
458    from graphviz.
459    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
460    See :doc:`gmxtree`.
461 doxygen-*
462    Targets that run Doxygen to generate the documentation.
463    The ``doxygen-all`` target runs as part of the ``webpage`` target, which in
464    turn runs as part of the Jenkins documentation job.
465    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
466    See :doc:`doxygen`.
467 gmxapi-cppdocs
468     Builds API documentation for gmxapi. Useful to authors of client software.
469     Documentation is generated in :file:`docs/api-user` in the build directory.
470 gmxapi-cppdocs-dev
471     Extract documentation for gmxapi and GROMACS developers to
472     :file:`docs/api-dev`.
473 install-guide
474    Runs Sphinx to generate a plain-text INSTALL file for the source package.
475    The files is generated at :file:`docs/install-guide/text/`, from where it
476    gets put at the root of the source package by CPack.
477    All CMake code is in :file:`docs/`.
478 man
479    Runs Sphinx to generate man pages for the programs.
480    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate the
481    input files for Sphinx.
482    All CMake code is in :file:`docs/`.
483    See :cmake:`GMX_BUILD_HELP` for information on when the man pages are
484    installed.
485 manual
486    Runs LaTeX to generate the reference PDF manual.
487    All CMake code is in :file:`docs/manual/`.
488    See :cmake:`GMX_BUILD_MANUAL`.
489 package_source
490    Standard target created by CPack that builds a source package.
491    This target is used to generate the released source packages.
492 test
493    Standard target created by CTest that runs all the registered tests.
494    Note that this does not build the test binaries, only runs them, so you need
495    to first ensure that they are up-to-date.
496    See :doc:`testutils`.
497 tests
498    Builds all the binaries needed by the tests (but not ``gmx``).
499    See :doc:`testutils`.
500 webpage
501    Collection target that runs the other documentation targets to generate the
502    full set of HTML (and linked) documentaion.
503    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
504    All CMake code is in :file:`docs/`.
505 webpage-sphinx
506    Runs Sphinx to generate most content for the HTML documentation (the set of
507    web pages this developer guide is also part of).
508    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate some
509    input files for Sphinx.
510    All CMake code is in :file:`docs/`.
511
512 Passing information to source code
513 ----------------------------------
514
515 The build system uses a few different mechanisms to influence the compilation:
516
517 * On the highest level, some CMake options select what files will be compiled.
518 * Some options are passed on the compiler command line using ``-D`` or
519   equivalent, such that they are available in every compilation unit.  This
520   should be used with care to keep the compiler command lines manageable.
521   You can find the current set of such defines with ::
522
523     git grep add_definitions
524
525 * A few header files are generated using CMake ``configure_file()`` and
526   included in the desired source files.  These files must exist for the
527   compilation to pass.  Only a few files use an ``#ifdef HAVE_CONFIG_H`` to
528   protect against inclusion in case the define is not set; this is used in
529   files that may get compiled outside the main build system.
530
531   :file:`buildinfo.h`
532     Contains various strings about the build environment, used mainly for
533     outputting version information to log files and when requested.
534   :file:`config.h`
535     Contains defines for conditional compilation within source files.
536   :file:`gmxpre-config.h`
537     Included by :file:`gmxpre.h` as the first thing in every source file.
538     Should only contain defines that are required before any other header for
539     correct operation.  For example, defines that affect the behavior of system
540     headers fall in this category.  See Doxygen documentation for
541     :file:`gmxpre.h`.
542
543   The above files are available through the INTERFACE_INCLUDE_DIR of
544   the ``common`` CMake target. I.e. to ``#include "config.h"``, be sure to
545   ``target_link_libraries(mymodule PRIVATE common)``
546
547   Additionally, the following file is generated by the build system:
548
549   :file:`baseversion-gen.cpp`
550     Provides definitions for declarations in :file:`baseversion_gen.h` for
551     version info output.  The contents are generated either from Git version
552     info, or from static version info if not building from a git repository.