GNU make系列之介绍Makefile

一.欢迎来到我的酒馆

      在本章节介绍Makefile。

二.GNU make 预览

      2.1 GNU make工具会自动决定哪些程序需要被重新编译，并且执行相应的命令来重新编译程序。在本系列博客中，我们会介绍GNU make。GNU make是由Richard Stallman和Roland McGrath开发的，在3.76版本后由Paul D. Smith开发。
      在本系列博客中，所有的例子都用c语言，c语言是使用最广泛的编程语言之一。但是，你可以使用make来构建任何编程语言的程序，只要是编译器可以运行在shell命令行上。make不仅限于构建应用程序，你还可以用make来描述某些文件必须自动更新的任何任务，无论何时有文件变动了，就需要自动更新某些文件。

2.2 准备和运行make
      在使用make工具之前，你必须写一个名为makefile的文件，这个makefile文件描述了文件之间的关系，并提供用于更新每个文件的命令。在一个应用程序中，通常，可执行文件从object文件（.o文件）上更新，而这些object文件又是通过编译源文件生成的。
      一旦有一个合适的makefile文件，每当你更改了一些源文件，你可以使用一条如下的简单命令：

make

来执行必要的重新编译。应用程序使用makefile数据为基础并且确定需要更新哪些文件。对于其中的每一个文件，它都会发布一个记录在以makefile数据为基础的配方。你可以提供命令行参数去控制哪些文件需要被更新。

2.3 一个简单的Makefile介绍
      你需要写一个文件名为makefile的文件来告诉make程序要执行哪些操作。大部分情况下，makefile文件表明如何编译和链接一个应用程序。当有明确的要求时（如，删除一个文件来执行清理操作）makefile文件还可以告诉make程序如何执行复杂的命令。
      当重新编译可执行文件的时候，每个更新过的c源文件必须重新编译。如果一个头文件已经更新了，为了安全起见，每一个包含了这个头文件的c源文件也必须重新编译。每次编译源文件都会生成一个对应的object文件（.o文件）。最后，如果任何的源文件已经被重新编译了，则所有的object文件，无论是新生成的还是以前编译中保存的，都必须一起链接来生成一个新的可执行文件。

2.4 一个执行单元长啥样
      一个简单的makefile文件包含了一个执行单元（rule），如下：

target ... : prerequisite ...recipe 1recipe 2recipe 3...

• target(目标)， 通常是一个文件的名字，target也可以是一个可执行文件或object文件。target也可以是要执行操作的名称，例如：clean。
• prereauisite (先决条件)， 是用作输入的文件，用于创建target。一个target通常依赖多个文件。
• recipe(配方)，是执行的操作。recipe可以有多个命令，要么在同一行上，要么在自己所在的行上。这里要记住的是：在写每个recipe之前都要敲一个tab键。如果你偏爱某个字符而不是tab字符加在recipe之前，你可以设置一个变量来替代字符。

      通常，配方是一条命令且需要用到先决条件，如果任何的先决条件发生更改，将会生成一个target。但是一个有配方和target的执行单元（rule），可以不写先决条件。例如：一个执行删除操作的target可以不写先决条件，如clean。
      一个执行单元，说明了如何且何时执行重新编译，在先决条件上执行一个配方来创建和更新一个target。一个执行单元同样可以说明如何执行一个操作。
      一个makefile文件可以包含除执行单元外的其他文本。但是一个简单的makefile仅仅只需要包含执行单元。相比较于展示的例子，执行单元可能看起来更复杂一些，但是所有的执行单元或多或少都适应这种模式。

三.一个简单的Makefile

      下面是一个简单的makefile例子，cJSON是c语言编写的JSON解码器，代码非常简洁，只有750行代码。点击这里下载cJSON
使用命令解压：

tar -zxvf cJSON.tar

解压之后，进入cJSON目录，文件像下面这样：

在项目cJSON目录下我已经写好了一个Makefile文件，这个例子描述了一个可执行文件test依赖于1个cJSON.o object文件，这个object文件又依赖于一个c源文件。

all: testtest: cJSON.o test.c cc -W -Wall -o test test.c cJSON.o -lm cJSON.o: cJSON.c cJSON.hcc -W -Wall -c -o cJSON.o cJSON.cclean:rm -rf *.o test 

要使用这个Makefile生成一个可执行文件，输入命令：

make

删除目录下的可执行文件和object文件，输入命令：

make clean

      在本例中，target是all，它依赖test，而test又依赖于cJSON.o，test.c，cJSON.h文件。配方是两个gcc编译指令。clean没有先决条件，它不依赖于任何文件，因此，它默认情况下是不执行的，除非指定命令（如：make clean）才会执行。
      当target是一个文件时，如果任何的prerequisite发生了更改，target需要被重新编译或重新链接。此外，任何prerequisite应首先更新自己自动生成的内容。在上面的例子中，cJSON.o依赖于cJSON.c源文件和cJSON.h头文件。
      一个配方会紧跟着一个target和prerequisite，这些配方表示了如何更新target文件。在makefile文件里，每行配方前必须敲一个tab键，以此来区分不同的配方。这里要记住的是：makefile并不知道配方是如何工作的，这取决于你提供各种配方来更新target文件。当一个target需要被更新的时候，所有提供的配方都会被执行。
      这里clean是一个target，但不是一个文件，它是一个操作的名称。在这个执行单元中，因为默认不会执行这个操作，clean不是任何其他执行单元的先决条件。因此，不要用它做任何事情，除非你告诉它要执行哪些操作。这里要记住的是：clean这个执行单元不仅不是一个先决条件，而且它没有任何的先决条件，因此这个执行单元的目的是运行特定的配方。target不是一个文件，但是是一个操作称之为phony target。如果一个object文件被重新编译了，他会比可执行程序test更新，所以test需要重新链接。
      因此，如果我们修改了cJSON.c文件，之后运行命令make，make会编译cJSON.c文件为cJSON.o文件，并且重新链接可执行程序test。

四.make程序如何处理Makefile文件

      默认的，make程序从上到下执行，它会找到第一个target。第一个target称为默认目标。
在上一小节的简单Makefile例子中，默认目标为test，因此，test这个执行单元会首先执行。当你下命令：

make

      make程序会在当前的目录下读取makefile文件，并且开始处理第一个执行单元。在这个例子中，第一个执行单元是all: test，而test又依赖于cJSON.o和test.c文件，在处理执行单元all: test之前，需要首先处理test的依赖文件。每个依赖文件都有自己的处理单元，通过编译源程序，这些处理单元会更新每个.o文件。如果先决条件是头文件和源文件，在这种情况下必须执行重新编译。
      其他的执行单元会被执行，因为它们的target是一个先决条件。如果一个执行单元不依赖任何的文件或先决条件，那么这个执行单元不会执行，除非你告诉make工具如何执行，如：make clean。
      在重新编译一个object文件之前，make程序会考虑更新它的先决条件，源文件和头文件。这个makefile文件没有指定具体的要执行的任务，.c和.h文件不是任何执行单元的target，因此对于这些文件，make程序不会执行任何操作，但是make程序会自动更新可执行程序。
      在重新编译任何需要它的object文件之后，make程序会决定是否重新链接可执行程序test。如果可执行程序test不存在，或者任何的object文件比这个test文件更新。如果一个object文件被重新编译了，那么它会比test可执行文件更新，因此会重新链接test。
      因此，如果我们修改了cJSON.c文件，然后执行make指令，make会把这个cJSON.c文件编译为cJSON.o文件，并且重新链接test可执行文件。如果修改了cJSON.h，make工具会把cJSON.c文件编译成cJSON.o文件，并且重新链接test。

五.在Makefile中使用变量

      5.1 上面的Makefile也可以写成下面这样：

all: testtest: cJSON.o test.occ -W -Wall -o test test.o cJSON.o -lm cJSON.o: cJSON.c cJSON.hcc -W -Wall -c -o cJSON.o cJSON.ctest.o: test.ccc -W -Wall -c -o test.o test.cclean:rm -rf *.o test 

      在上面的例子中，我们需要重复写两次cJSON.o、test.o，随着项目越来越大，这种重复非常容易出错，这时候我们可以使用变量来降低这种风险。变量允许一个文本字符串定义一次，以后可以在不同位置使用这个文本字符串（变量名）。

      对每个makefile创建一个名为objects的变量，这是一种标准练习。我们可以在makefile中定义一个变量objects：

objects=cJSON.o test.o

之后，在每个地方我们想要罗列出所有的object文件时，我们可以通过写：

$(object)

来替换变量的值。
下面是使用变量的makefile版本：

objects=cJSON.o test.oall: testtest: $(objects)cc -W -Wall -o test $(objects) -lm cJSON.o: cJSON.c cJSON.hcc -W -Wall -c -o cJSON.o cJSON.ctest.o: test.ccc -W -Wall -c -o test.o test.cclean:rm -rf *.o test 

5.2 让make程序推断出配方
      对于编译单个的.c源文件，可以不写配方。因为make工具可以自己推断出配方。从.c文件更新对应的.o文件可以使用cc -c命令，这是一个隐式的规则。
例如，使用配方：

cc -W -Wall -c -o cJSON.o cJSON.c

会将cJSON.c文件编译为cJSON.o文件。这里，我们可以省略配方，不写。当以这种方式自动调用.c文件时，它会自动添加到先决条件列表中。下面是一个完整的makefile，省略配方、省略.c文件、使用变量：

objects=cJSON.o test.oall: testtest: $(objects)cc -W -Wall -o test $(objects) -lm 
cJSON.o: cJSON.htest.o: clean:rm -rf $(objects) test 

这就是我们在实际操作中编写makefile的方式。因为隐式规则非常方便，也很重要，你会频繁的看到它被使用。

5.3 另一种类型的makefile
当makefile的object文件仅由隐式规则创建时，可以使用替代样式的makefile。在上面这个makefile中，你可以按先决条件而不是目标对条目进行分组。这是否是一种更好的尝试，这看起来更加紧凑，但是一些人并不喜欢它，因为它们发现将每个目标的所有信息放在一个地方更清晰。

5.4 清除目录
你不仅仅只想写编译一个程序的执行单元，当编译一个程序的时候。makefile一般会告诉你如何去做一些其他事情。例如，如何删除所有的object文件和可执行文件，下面是我们编写一个make执行单元来清除目录：

clean:rm -rf $(objects) test

在实际开发中，我们可能会写一个复杂的执行单元来处理意想不到的情况。我们可以这样写：

.PHONY: clean
clean:rm -rf $(objects) test

这可以防止make程序被名为clean的实际文件混淆。像上面的执行单元不应该放置在makefile文件的首行，因为我们并不希望它默认被执行。因此，在上面的makefile例子中，我们想要一个生成test的执行单元，test是默认目标。
因为clean不是test的先决条件，所以当我们输入命令：clean的时候，clean这个执行单元不会被执行。如果要允许clean这个执行单元的话，需要输入：make clean。