【C语言智能编译一步步学习编写Makefile】Makefile介绍

sunsili · 发表于 2018-11-14 22:50:00

本帖最后由 sunsili 于 2023-8-4 13:26 编辑

【C语言智能编译一步步学习编写Makefile】Makefile介绍

本文是学习Makefile的总结与记录，学习自 跟我一起写Makefile 感谢作者与整理者，需要pdf文件请留言，如有错误请及时提出。

在学习Makefile之前，首先介绍一下make命令，make命令是GNU的工程化编译工具，它用于编译大量互相关联的源代码，使用它可以实现项目的工程化管理，提高开发效率。那么对于一个项目，该如何让它按照我们预想的规则去编译链接执行呢？这就要用到我们要学习的Makefile了。Makefile的作用就是在执行make命令的时候指定编译和链接的规则，包括源代码文件之间的链接关系、依赖关系等。它关系到整个项目工程的编译规则：哪些文件需要先编译，哪些要后编译，哪些需要重新编译等复杂的操作。Makefile文件就像shell脚本一样，在其中也可以执行操作系统的命令。

Makefile实现了自动化编译，当然现在有许多的IDE自带了这样的功能，但是，为了提升自己的项目架构能力与工程管理能力，掌握Makefile的编写还是很有必要的。本系列文章学习自陈皓的《跟我一起写Makefile》，使用的是GNU的make，以C/C++源码为基础。本系列文章将不涉及编译器的知识，只介绍基本的编译与链接知识，如要深入了解，请移步我另一系列文章。

程序的编译和链接

对于程序的编译，无论是哪种编译器，首先都需要将源代码文件编译成中间代码(Win下.obj文件，UNIX下.o文件)，即Object文件，然后再将大量的Object文件链接在一起进行执行。

在编译时，编译器检查程序代码中语法的正确性，函数以及变量的声明是否正确，以及进行预处理(例如头文件的所在位置以及宏替换等)，此步骤只要语法没有问题，编译就不会出错，便可以生成中间目标文件。

在链接时，主要是链接函数与全局变量，链接器不用管函数在哪一个源文件当中，它关心的是函数所在的中间目标文件。大多数情况下，编译生成的中间目标文件比较多，在链接时需要明确地指出中间目标名，这对于编译很不方便，解决方法是给中间目标文件打包生成一个库文件(Win下是.lib，UNIX是.a)。

综上，编译链接的过程是：

首先源文件会讲过编译阶段生成中间目标文件，再由中间目标文件生成执行文件。
编译时编译器只检测程序的语法、函数，变量是否声明以及一些预处理。如果函数只是声明但是未实现则编译器只会警告(不是所有的编译器都是这样)，仍然可以生成中间目标文件。
在链接程序时，链接器会在所有的中间目标文件中寻找函数的实现，如果找不到，那就会提示链接错误。

Makefile 介绍

我们已经知道，在我们执行make命令时，是根据Makefile文件定义的规则去编译执行的，所以Makefile的书写就规定了程序的执行方式。我们从一个简单示例开始：
假设我们现在的工程有8个.c文件，3个.h头文件。我们需要写一个Makefile来定义该程序的执行方式：

如果此工程没有被编译过(即第一次编译)，那么所有的.c文件都要被编译并链接。
如果此工程的某几个.c文件被修改了，那么我们只编译被修改的.c文件，并链接目标程序。
如果此工程的头文件被改变了，那么需要编译引用了这几个头文件的.c文件，并链接目标程序。
对于这些要求，这么做是因为如果每次make都去重新编译或者链接那样会特别耗时(尤其是在项目工程大的时候)，因此只对做了改动的文件进行重新编译。

写好Makefile，无论怎么修改源程序，都只需要一个make命令搞定。它会自动根据当前的文件修改的情况来确定哪些文件需要重新编译，从而自己编译所需要的文件和链接目标程序。

Makefile的规则

在着手写Makefile之前，我们来看一下Makefile的规则。

target ... : prerequisites ...
command
...
...

复制代码

target也就是一个目标文件，可以是Object 文件，也可以是执行文件。还可以是一个标签(Label)，对于标签这种特性，将在后面叙述。
prerequisites就是，要生成那个target所需要的文件或是目标。
command也就是make需要执行的命令。(任意的Shell命令, 须<tab>)
这个规则可以这么看，目标文件target的生成需要依赖prerequisites中的一些文件，而target文件的生成规则是在command中定义的。

下面我们就根据介绍的编写规则完成一开始的要求。项目的8个.c文件和.h文件如下：
。。。
先贴上编写好的Makefile文件：

proc : main.o kbd.o command.o display.o \
insert.o search.o files.o utils.o

复制代码

请注意\代表换行。编写好此文件保存为Makefile或者makefile文件即可。然后在该目录下执行make即可。如果需要删除执行文件与所有的目标文件，直接make clean即可。
根据之前介绍的Makefile的规则，看一下上面的Makefile文件都做了什么：

此Makefile文件中，目标文件包含可执行文件proc和中间得到目标文件*.o。
目标文件依赖于:之后所有文件，可以看到proc程序依赖于8个.o文件的生成，而每个.o文件的生成又依赖于.c文件或者.h文件。依赖关系的意思是：A依赖于B表示，若想生成A，则需要先有B。
定义了依赖关系，后续的那一行定义了如何生成目标文件的操作系统命令，这里需要注意的是对于缩进一定要以一个Tab键作为开头。

make是如何工作的

通常我们在命令行知识输入一个make命令，那么，当我们实行make时，它是怎么开始工作的呢？

make首先会在当前目录下查找名称为“Makefile”或者“makefile”的文件。
找到文件之后，它会继续找文件中注明的第一个目标文件(即上文的proc)，并把这个文件作为最终需要生产的目标文件。
如果目标文件(proc)不存在，或者目标文件后的依赖文件(.o文件)的修改时间要比目标文件(proc)新，那么，它继续寻找后面定义的命令。
如果proc依赖的.o文件存在，那么make会在当前文件中寻找目标为.o文件的依赖性。若找到则根据规则继续生成一个头文件。
make会根据文件夹内的.c或者.h生成.o文件，然后再用.o文件生成proc可执行程序。
综上，我们可以看到make是根据依赖性一步步地完成最终文件的生成。若在此过程中遇到错误，如果是依赖文件未找到或者编写规则错误，则make直接报错并终止。如果是定义的命令不对，make并不会报错，即make只会检查文件依赖，不会对命令进行检查。
从上面的Makefile还可以看到最后一行有一个clean命令，但是它没有依赖关系，只有相关的执行命令。那么在执行make时，它就不会自动执行。如果需要执行clean，则需要指定它的执行：make clean。
如果该工程已经编译过一次了，当对其中某个源文件修改后，只会根据依赖性进行相关文件的重新编译，而不会整个工程都重新编译。

Makefile中使用变量

在上面编写的Makefile中：

proc main.o kbd.o command.o display.o \ </div><div align="left"> insert.o search.o files.o utils.o</div><div align="left"> gcc -o proc main.o kbd.o command.o display.o \</div><div align="left"> insert.o search.o files.o utils.o</div>

复制代码

这些.o文件我们写了两次，加入项目中又新加入了一个.c文件，那么对于我们的Makefile，需要好几处都做改动。这样的话难免有点枯燥，而且项目大的话Makefile也会写的很混乱，不方便阅读。因此，我们需要一个变量来代替我们写的这些文件。
比如声明一个变量objects(其它名字也可以)来表示这一大串.o文件:

object = main.o kbd.o command.o display.o \

复制代码

那么就可以使用objects来代表着一系列文件，使用方法如下：

objects = main.o kbd.o command.o display.o \

复制代码

是不是看上去清爽一点了。如果有新的文件，只用修改一下objects，给它添加一个文件即可。关于变量的更多内容将在后面的文章中深入介绍。

让make自动推导

make可以识别并且自动推导命令，它识别一个.o文件，就会自动将对应的.c文件加在依赖关系中。并且也会自动推导出相关的编译命令。有了这个特性，我们的Makefile文件就可以写的更加简洁了：

objects = main.o kbd.o command.o display.o \

复制代码

这种方式称为make的隐晦规则。.PHONY表示clean是一个伪目标文件。对于详细内容将在后续文章中介绍。

另类的Makefile

make可以自动推导命令，这很方便。但是观察我们新的Makefile，有一个地方还是觉得很扎眼，那就是每个.o文件都依赖于很多的.h文件，能不能把这些.h文件综合到一起呢？
看一下这种书写方式：

objects = main.o kbd.o command.o display.o \

复制代码

这样的编写风格使得Makefile文件更加简洁，但是随之带来的是不能直观地看出某个.o文件依赖了哪些文件。所以并不是很推荐。

清空目标文件的规则

对于编写习惯的养成而言，我们最好在每个Makefile中都写一个清空目标文件的clean命令，这样有利用重新编译。例如：

clean :

复制代码

或者：

.PHONY : clean

复制代码

注意，后者的-表示忽略问题，强制执行。而且不要将clean放在文件的开头，因为Makefile默认执行的就是文件开头的target。因此，对于clean，最好将它放在文件最后。

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