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