Merge branch release-2016
[gromacs.git] / docs / dev-manual / build-system.rst
blobdf0a2095f510d76e775bec54e9865b3776449196
1 .. highlight:: bash
3 Build system overview
4 =====================
6 The |Gromacs| build system uses CMake (version
7 |GMX_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).
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.
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.
26 Build types
27 -----------
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:
35 **Release**
36   Fully optimized code intended for use in production simulation. This is the
37   default.
39 **Debug**
40   Compiled code intended for use with debugging tools, with low optimization levels
41   and debug information for symbols.
43 **RelWithDebInfo**
44   As Release, but with debug information for symbol names, which can help debugging
45   issues that only emerge in optimized code.
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.
52 Additionally, |Gromacs| provides the following build types for development and
53 testing. Their implementations can be found in ``cmake/gmxBuildTypeXXX.cmake``.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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).
107 CMake cache variables
108 ---------------------
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.
114 .. TODO: Figure out where to document basic variables intended for user
115    consumption, and how does it relate to documentation here.
117 .. TODO: Document the remaining variables below, and identify any variables
118    missing from the list.
120 Compiler flags
121 ^^^^^^^^^^^^^^
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.
128 |Gromacs| determines its own set of default flags, grouped into two categories:
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.
137 All of the above flags are only added after testing that they work with the
138 provided compiler.
140 There is one cache variable to control the behavior of automatic compiler flags:
142 .. cmake:: GMX_SKIP_DEFAULT_CFLAGS
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.
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.
159 Variables affecting compilation/linking
160 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
162 .. cmake:: GMX_BROKEN_CALLOC
164 .. cmake:: GMX_BUILD_FOR_COVERAGE
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.
173    .. TODO: This could likely be replaced by a (yet another) build type.
175 .. cmake:: GMX_BUILD_MDRUN_ONLY
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`.
189 .. cmake:: GMX_BUILD_OWN_FFTW
191 .. cmake:: GMX_BUILD_SHARED_EXE
193 .. cmake:: GMX_COMPILER_WARNINGS
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``.
203 .. cmake:: GMX_CYCLE_SUBCOUNTERS
205 .. cmake:: GMX_DATA_INSTALL_DIR
207    Sets the directory under :file:`share/` where data files are installed.
208    The default is ``gromacs``, which puts the files under
209    file:`share/gromacs/`.
210    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
212 .. cmake:: GMX_DOUBLE
214    Many part of GROMACS are implemented in terms of "real" precision,
215    which is actually either a single- or double-precision type,
216    according to the value of this flag. Some parts of the code
217    deliberately use single- or double-precision types, and these are
218    unaffected by this setting. See reference manual for further
219    information.
221 .. cmake:: GMX_RELAXED_DOUBLE_PRECISION
223    Permit a double-precision configuration to compute some quantities
224    to single-precision accuracy. Particularly on architectures where
225    only double-precision SIMD is available (e.g. Sparc machines such
226    as the K computer), it is faster to default to ``GMX_DOUBLE=ON``
227    and use SIMD than to use ``GMX_DOUBLE=OFF`` and use no
228    SIMD. However, if the user does not need full double precision,
229    then some optimizations can achieve the equivalent of
230    single-precision results (e.g. fewer Newton-Raphson iterations for
231    a reciprocal square root computation).
233 .. cmake:: GMX_EXTRAE
235 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_BLAS
237 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_LAPACK
239 .. cmake:: GMX_EXTERNAL_TNG
241 .. cmake:: GMX_FFT_LIBRARY
243 .. cmake:: GMX_GIT_VERSION_INFO
245    Whether to generate version information dynamically from git for each build
246    (e.g., HEAD commit hash).
247    Defaults to ``ON`` if the build is from a git repository and :command:`git`
248    is found, otherwise ``OFF``.
249    If ``OFF``, static version information from
250    :file:`cmake/gmxVersionInfo.cmake` is used.
252 .. cmake:: GMX_GPU
254 .. cmake:: GMX_LIB_INSTALL_DIR
256    Sets the installation directory for libraries (default is determined by
257    standard CMake package ``GNUInstallDirs``).
258    See :doc:`relocatable-binaries` for how this influences the build.
260 .. cmake:: GMX_LOAD_PLUGINS
262 .. cmake:: GMX_MPI
264 .. cmake:: GMX_OPENMP
266 .. cmake:: GMX_PREFER_STATIC_LIBS
268 .. cmake:: GMX_SIMD
270 .. cmake:: GMX_SOFTWARE_INVSQRT
272 .. cmake:: GMX_THREAD_MPI
274 .. cmake:: GMX_USE_RDTSCP
276 .. cmake:: GMX_USE_TNG
278 .. cmake:: GMX_VMD_PLUGIN_PATH
280 .. cmake:: GMX_X11
282 .. cmake:: GMX_XML
284    Currently, this option has no effect on the compilation or linking, since
285    there is no code outside the tests that would use :file:`libxml2`.
287 Variables affecting the ``all`` target
288 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
290 .. cmake:: BUILD_TESTING
292    Standard variable created by CTest that enables/disables all tests.
293    Defaults to ``ON``.
295 .. cmake:: GMX_BUILD_HELP
297    Controls handling of man pages and shell completions.  Possible values:
299    ``OFF`` (default for builds from release source distribution)
300      Man pages and shell completions are not generated as part of the ``all``
301      target, and only installed if compiling from a source package.
302    ``AUTO`` (default for builds from development version)
303      Shell completions are generated by executing the :file:`gmx` binary as
304      part of the ``all`` target.  If it fails, a message is printed, but the
305      build succeeds.
306      Man pages need to be generated manually by invoking the ``man`` target.
307      Man pages and shell completions are installed if they have been
308      successfully generated.
309    ``ON``
310      Works the same as ``AUTO``, except that if invoking the :file:`gmx` binary
311      fails, the build fails as well.
313 .. cmake:: GMX_DEVELOPER_BUILD
315    If set ``ON``, the ``all`` target will include also the test binaries using
316    Google Test (if :cmake:`GMX_BUILD_UNITTESTS` is ``ON``).
317    Also, :cmake:`GMX_COMPILER_WARNINGS` is always enabled.
318    In the future, other developer convenience features (as well as features
319    inconvenient for a general user) can be added to the set controlled by this
320    variable.
322 Variables affecting special targets
323 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
325 .. cmake:: CPPCHECK_XML_OUTPUT
327    If set ``ON``, the ``cppcheck`` target generates reports for all found
328    issues in XML format.  This is used by Jenkins, which parses the XML files
329    to show the issues on the web page.
330    If ``OFF`` (the default), issues are reported as plain text to standard
331    output and to a text file.
333 .. cmake:: GMX_BUILD_MANUAL
335    If set ``ON``, CMake detection for LaTeX and other prerequisites for the
336    reference PDF manual is done, and the ``manual`` target for building the
337    manual is generated.
338    If ``OFF`` (the default), all detection is skipped and the manual cannot be
339    built.
341    .. TODO: Consider if this is really necessary, or if we could just use
342       GMX_DEVELOPER_BUILD.
344 .. cmake:: GMX_BUILD_TARBALL
346    If set ``ON``, ``-dev`` suffix is stripped off from version strings and some
347    other version info logic is adjusted such that the man pages and other
348    documentation generated from this build is suitable for releasing (on the
349    web page and/or in the source distribution package).
350    Defaults to ``OFF``.
352 .. cmake:: GMX_BUILD_UNITTESTS
354    If ``ON``, test binaries using Google Test are built (either as the separate
355    ``tests`` targer, or also as part of the ``all`` target, depending on
356    :cmake:`GMX_DEVELOPER_BUILD`).  All dependencies required for building the
357    tests (Google Test and Google Mock frameworks, and tinyxml2) are
358    included in :file:`src/external/`.
359    Defaults to ``ON`` if :cmake:`BUILD_TESTING` is ``ON``.
361 .. cmake:: GMX_COMPACT_DOXYGEN
363    If set ``ON``, Doxygen configuration is changed to avoid generating large
364    dependency graphs, which makes it significantly faster to run Doxygen and
365    reduces disk usage.  This is typically useful when developing the
366    documentation to reduce the build times.
367    Defaults to ``OFF``.
369 .. cmake:: REGRESSIONTEST_DOWNLOAD
371    If set ``ON``, CMake will download the regression tests and extract them to
372    a local directory.  :cmake:`REGRESSIONTEST_PATH` is set to the extracted
373    tests.  Note that this happens during the configure phase, not during the
374    build.
375    After the download is done, the variable is automatically reset to ``OFF``
376    again to avoid repeated downloads.  Can be set to ``ON`` to download again.
377    Defaults to ``OFF``.
379 .. cmake:: REGRESSIONTEST_PATH
381    Path to extracted regression test suite matching the source tree (the
382    directory containing :file:`gmxtest.pl`)
383    If set, CTest tests are generated to run the regression tests.
384    Defaults to empty.
386 .. cmake:: SOURCE_MD5SUM
388    Sets the MD5 sum of the release tarball when generating the HTML
389    documentation.  It gets inserted into the download section of the HTML
390    pages.
392 External libraries
393 ------------------
395 .. TODO: List external libraries used (either from src/external/, or from the
396    system), whether they are required or optional, what functionality they
397    provide for Gromacs, and how to control their use.
399 Special targets
400 ---------------
402 In addition to the default ``all`` target, the generated build system has
403 several custom targets that are intended to be explicitly built to perform
404 various tasks (some of these may also run automatically).  There are various
405 other targets as well used internally by these, but those are typically not
406 intended to be invoked directly.
408 check
409    Builds all the binaries needed by the tests and runs the tests.  If some
410    types of tests are not available, shows a note to the user.
411    This is the main target intended for normal users to run the tests.
412    See :doc:`testutils`.
413 check-source
414    Runs a custom Python checker script to check for various source-level
415    issues.  Uses Doxygen XML documentation as well as rudimentary parsing of
416    some parts of the source files.
417    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
418    All CMake code is currently in :file:`docs/doxygen/`.
419    See :doc:`gmxtree`.
420 completion
421    Runs the compiled :file:`gmx` executable to generate shell command-line
422    completion definitions.  This target is only added if
423    :cmake:`GMX_BUILD_HELP` is not ``OFF``, and it is run automatically as part
424    of the default ``all`` target.  See :cmake:`GMX_BUILD_HELP`.
425    All CMake code is in :file:`src/programs/`.
426 cppcheck
427    Runs :command:`cppcheck` with the flags used in Jenkins for all the source
428    files.  This target is directly used by the Jenkins cppcheck job.
429    All CMake code is in :file:`tests/CppCheck.cmake`.
430 dep-graphs*
431    Builds include dependency graphs for the source files using :command:`dot`
432    from graphviz.
433    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
434    See :doc:`gmxtree`.
435 doxygen-*
436    Targets that run Doxygen to generate the documentation.
437    The ``doxygen-all`` target runs as part of the ``webpage`` target, which in
438    turn runs as part of the Jenkins documentation job.
439    All CMake code is in :file:`docs/doxygen/`.
440    See :doc:`doxygen`.
441 install-guide
442    Runs Sphinx to generate a plain-text INSTALL file for the source package.
443    The files is generated at :file:`docs/install-guide/text/`, from where it
444    gets put at the root of the source package by CPack.
445    All CMake code is in :file:`docs/`.
447    Runs Sphinx to generate man pages for the programs.
448    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate the
449    input files for Sphinx.
450    All CMake code is in :file:`docs/`.
451    See :cmake:`GMX_BUILD_HELP` for information on when the man pages are
452    installed.
453 manual
454    Runs LaTeX to generate the reference PDF manual.
455    All CMake code is in :file:`docs/manual/`.
456    See :cmake:`GMX_BUILD_MANUAL`.
457 package_source
458    Standard target created by CPack that builds a source package.
459    This target is used to generate the released source packages.
460 test
461    Standard target created by CTest that runs all the registered tests.
462    Note that this does not build the test binaries, only runs them, so you need
463    to first ensure that they are up-to-date.
464    See :doc:`testutils`.
465 tests
466    Builds all the binaries needed by the tests (but not ``gmx``).
467    See :doc:`testutils`.
468 webpage
469    Collection target that runs the other documentation targets to generate the
470    full set of HTML (and linked) documentaion.
471    This target is used as part of the Jenkins documentation job.
472    All CMake code is in :file:`docs/`.
473 webpage-sphinx
474    Runs Sphinx to generate most content for the HTML documentation (the set of
475    web pages this developer guide is also part of).
476    Internally, also runs the compiled :file:`gmx` executable to generate some
477    input files for Sphinx.
478    All CMake code is in :file:`docs/`.
480 Passing information to source code
481 ----------------------------------
483 The build system uses a few different mechanisms to influence the compilation:
485 * On the highest level, some CMake options select what files will be compiled.
486 * Some options are passed on the compiler command line using ``-D`` or
487   equivalent, such that they are available in every compilation unit.  This
488   should be used with care to keep the compiler command lines manageable.
489   You can find the current set of such defines with ::
491     git grep add_definitions
493 * A few header files are generated using CMake ``configure_file()`` and
494   included in the desired source files.  These files must exist for the
495   compilation to pass.  Only a few files use an ``#ifdef HAVE_CONFIG_H`` to
496   protect against inclusion in case the define is not set; this is used in
497   files that may get compiled outside the main build system.
499   :file:`buildinfo.h`
500     Contains various strings about the build environment, used mainly for
501     outputting version information to log files and when requested.
502   :file:`config.h`
503     Contains defines for conditional compilation within source files.
504   :file:`gmxpre-config.h`
505     Included by :file:`gmxpre.h` as the first thing in every source file.
506     Should only contain defines that are required before any other header for
507     correct operation.  For example, defines that affect the behavior of system
508     headers fall in this category.  See Doxygen documentation for
509     :file:`gmxpre.h`.
511   All the above files get generated in :file:`src/`.
513   Additionally, the following file is generated by the build system:
515   :file:`baseversion-gen.c`
516     Provides definitions for declarations in :file:`baseversion-gen.h` for
517     version info output.  The contents are generated either from Git version
518     info, or from static version info if not building from a git repository.