Linux/Unix環境下的Make和Makefile詳解
2020-10-28 18:51:07
供稿：網友
Linux/Unix環境下的Make和Makefile詳解
無論是在Linux還是在Unix環境中，make都是一個非常重要的編譯命令。不管是自己進行項目開發還是安裝應用軟件，我們都經常要用到make或make install。利用make工具，我們可以將大型的開發項目分解成為多個更易于管理的模塊，對于一個包括幾百個源文件的應用程序，使用make和makefile工具就可以簡潔明快地理順各個源文件之間紛繁復雜的相互關系。而且如此多的源文件，如果每次都要鍵入gcc命令進行編譯的話，那對程序員來說簡直就是一場災難。而make工具則可自動完成編譯工作，并且可以只對程序員在上次編譯后修改過的部分進行編譯。因此，有效的利用make和makefile工具可以大大提高項目開發的效率。同時掌握make和makefile之后，您也不會再面對著Linux下的應用軟件手足無措了。
但令人遺憾的是，在許多講述Linux應用的書籍上都沒有詳細介紹這個功能強大但又非常復雜的編譯工具。在這里我就向大家詳細介紹一下make及其描述文件makefile。
Makefile文件
Make工具最主要也是最基本的功能就是通過makefile文件來描述源程序之間的相互關系并自動維護編譯工作。而makefile 文件需要按照某種語法進行編寫，文件中需要說明如何編譯各個源文件并連接生成可執行文件，并要求定義源文件之間的依賴關系。makefile 文件是許多編譯器--包括 Windows NT 下的編譯器--維護編譯信息的常用方法，只是在集成開發環境中，用戶通過友好的界面修改 makefile 文件而已。
在 UNIX 系統中，習慣使用 Makefile 作為 makfile 文件。如果要使用其他文件作為 makefile，則可利用類似下面的 make 命令選項指定 makefile 文件：
$ make -f Makefile.debug
例如，一個名為prog的程序由三個C源文件filea.c、fileb.c和filec.c以及庫文件LS編譯生成，這三個文件還分別包含自己的頭文件a.h 、b.h和c.h。通常情況下，C編譯器將會輸出三個目標文件filea.o、fileb.o和filec.o。假設filea.c和fileb.c都要聲明用到一個名為defs的文件，但filec.c不用。即在filea.c和fileb.c里都有這樣的聲明：
#include "defs"
那么下面的文檔就描述了這些文件之間的相互聯系:
---------------------------------------------------------
#It is a example for describing makefile
prog : filea.o fileb.o filec.o
cc filea.o fileb.o filec.o -LS -o prog
filea.o : filea.c a.h defs
cc -c filea.c
fileb.o : fileb.c b.h defs
cc -c fileb.c
filec.o : filec.c c.h
cc -c filec.c
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這個描述文檔就是一個簡單的makefile文件。
從上面的例子注意到，第一個字符為 # 的行為注釋行。第一個非注釋行指定prog由三個目標文件filea.o、fileb.o和filec.o鏈接生成。第三行描述了如何從prog所依賴的文件建立可執行文件。接下來的4、6、8行分別指定三個目標文件，以及它們所依賴的.c和.h文件以及defs文件。而5、7、9行則指定了如何從目標所依賴的文件建立目標。
當filea.c或a.h文件在編譯之后又被修改，則 make 工具可自動重新編譯filea.o，如果在前后兩次編譯之間，filea.C 和a.h 均沒有被修改，而且test.o還存在的話，就沒有必要重新編譯。這種依賴關系在多源文件的程序編譯中尤其重要。通過這種依賴關系的定義，make 工具可避免許多不必要的編譯工作。當然，利用Shell腳本也可以達到自動編譯的效果，但是，Shell 腳本將全部編譯任何源文件，包括哪些不必要重新編譯的源文件，而 make 工具則可根據目標上一次編譯的時間和目標所依賴的源文件的更新時間而自動判斷應當編譯哪個源文件。
Makefile文件作為一種描述文檔一般需要包含以下內容:
◆ 宏定義
◆ 源文件之間的相互依賴關系
◆ 可執行的命令
Makefile中允許使用簡單的宏指代源文件及其相關編譯信息，在Linux中也稱宏為變量。在引用宏時只需在變量前加$符號，但值得注意的是，如果變量名的長度超過一個字符，在引用時就必須加圓括號（）。
下面都是有效的宏引用：
$(CFLAGS)
$2
$Z
$(Z)
其中最后兩個引用是完全一致的。
需要注意的是一些宏的預定義變量，在Unix系統中，$*、$@、$?和$<四個特殊宏的值在執行命令的過程中會發生相應的變化，而在GNU make中則定義了更多的預定義變量。關于預定義變量的詳細內容，宏定義的使用可以使我們脫離那些冗長乏味的編譯選項，為編寫makefile文件帶來很大的方便。
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# Define a macro for the object files
OBJECTS= filea.o fileb.o filec.o
# Define a macro for the library file
LIBES= -LS
# use macros rewrite makefile
prog: $(OBJECTS)
cc $(OBJECTS) $(LIBES) -o prog
……
---------------------------------------------------------
此時如果執行不帶參數的make命令，將連接三個目標文件和庫文件LS；但是如果在make命令后帶有新的宏定義：
make "LIBES= -LL -LS"
則命令行后面的宏定義將覆蓋makefile文件中的宏定義。若LL也是庫文件，此時make命令將連接三個目標文件以及兩個庫文件LS和LL。
在Unix系統中沒有對常量NULL作出明確的定義，因此我們要定義NULL字符串時要使用下述宏定義：
STRINGNAME=
Make命令
在make命令后不僅可以出現宏定義，還可以跟其他命令行參數，這些參數指定了需要編譯的目標文件。其標準形式為：
target1 [target2 …]:[:][dependent1 …][;commands][#…]
[(tab) commands][#…]
方括號中間的部分表示可選項。Targets和dependents當中可以包含字符、數字、句點和"/"符號。除了引用，commands中不能含有"#",也不允許換行。
在通常的情況下命令行參數中只含有一個":"，此時command序列通常和makefile文件中某些定義文件間依賴關系的描述行有關。如果與目標相關連的那些描述行指定了相關的command序列，那么就執行這些相關的command命令，即使在分號和(tab)后面的aommand字段甚至有可能是NULL。如果那些與目標相關連的行沒有指定command，那么將調用系統默認的目標文件生成規則。
如果命令行參數中含有兩個冒號"::"，則此時的command序列也許會和makefile中所有描述文件依賴關系的行有關。此時將執行那些與目標相關連的描述行所指向的相關命令。同時還將執行build-in規則。
如果在執行command命令時返回了一個非"0"的出錯信號，例如makefile文件中出現了錯誤的目標文件名或者出現了以連字符打頭的命令字符串，make操作一般會就此終止，但如果make后帶有"-i"參數，則make將忽略此類出錯信號。
Make命本身可帶有四種參數：標志、宏定義、描述文件名和目標文件名。其標準形式為：
Make [flags] [macro definitions] [targets]
Unix系統下標志位flags選項及其含義為：
-f file 指定file文件為描述文件，如果file參數為"-"符，那么描述文件指向標準輸入。如果沒有"-f"參數，則系統將默認當前目錄下名為makefile或者名為Makefile的文件為描述文件。在Linux中， GNU make 工具在當前工作目錄中按照GNUmakefile、makefile、Makefile的順序搜索 makefile文件。
-i 忽略命令執行返回的出錯信息。
-s 沉默模式，在執行之前不輸出相應的命令行信息。
-r 禁止使用build-in規則。
-n 非執行模式，輸出所有執行命令，但并不執行。
-t 更新目標文件。
-q make操作將根據目標文件是否已經更新返回"0"或非"0"的狀態信息。
-p 輸出所有宏定義和目標文件描述。
-d Debug模式，輸出有關文件和檢測時間的詳細信息。
Linux下make標志位的常用選項與Unix系統中稍有不同，下面我們只列出了不同部分：
-c dir 在讀取 makefile 之前改變到指定的目錄dir。
-I dir 當包含其他 makefile文件時，利用該選項指定搜索目錄。
-h help文擋，顯示所有的make選項。
-w 在處理 makefile 之前和之后，都顯示工作目錄。
通過命令行參數中的target ，可指定make要編譯的目標，并且允許同時定義編譯多個目標，操作時按照從左向右的順序依次編譯target選項中指定的目標文件。如果命令行中沒有指定目標，則系統默認target指向描述文件中第一個目標文件。
通常，makefile 中還定義有 clean 目標，可用來清除編譯過程中的中間文件，例如：
clean:
rm -f *.o
運行 make clean 時，將執行 rm -f *.o 命令，最終刪除所有編譯過程中產生的所有中間文件。
隱含規則
在make 工具中包含有一些內置的或隱含的規則，這些規則定義了如何從不同的依賴文件建立特定類型的目標。Unix系統通常支持一種基于文件擴展名即文件名后綴的隱含規則。這種后綴規則定義了如何將一個具有特定文件名后綴的文件（例如.c文件），轉換成為具有另一種文件名后綴的文件（例如.o文件）：
.c:.o
$(CC) $(CFLAGS) $(CPPFLAGS) -c -o $@ $<
系統中默認的常用文件擴展名及其含義為：
.o 目標文件
.c C源文件
.f FORTRAN源文件
.s 匯編源文件
.y Yacc-C源語法
.l Lex源語法
在早期的Unix系統系統中還支持Yacc-C源語法和Lex源語法。在編譯過程中，系統會首先在makefile文件中尋找與目標文件相關的.C文件，如果還有與之相依賴的.y和.l文件，則首先將其轉換為.c文件后再編譯生成相應的.o文件；如果沒有與目標相關的.c文件而只有相關的.y文件，則系統將直接編譯.y文件。
而GNU make 除了支持后綴規則外還支持另一種類型的隱含規則--模式規則。這種規則更加通用，因為可以利用模式規則定義更加復雜的依賴性規則。模式規則看起來非常類似于正則規則，但在目標名稱的前面多了一個 % 號，同時可用來定義目標和依賴文件之間的關系，例如下面的模式規則定義了如何將任意一個 file.c 文件轉換為 file.o 文件：
%.c:%.o
$(CC) $(CFLAGS) $(CPPFLAGS) -c -o $@ $<
#EXAMPLE#
下面將給出一個較為全面的示例來對makefile文件和make命令的執行進行進一步的說明，其中make命令不僅涉及到了C源文件還包括了Yacc語法。本例選自"Unix Programmer's Manual 7th Edition, Volume 2A" Page 283-284
下面是描述文件的具體內容：
---------------------------------------------------------
#Description file for the Make command
#Send to print
P=und -3 | opr -r2
#The source files that are needed by object files
FILES= Makefile version.c defs main.c donamc.c misc.c file.c /
dosys.c gram.y lex.c gcos.c
#The definitions of object files
OBJECTS= vesion.o main.o donamc.o misc.o file.o dosys.o gram.o
LIBES= -LS
LINT= lnit -p
CFLAGS= -O
make: $(OBJECTS)
cc $(CFLAGS) $(OBJECTS) $(LIBES) -o make
size make
$(OBJECTS): defs
gram.o: lex.c
cleanup:
-rm *.o gram.c
install:
@size make /usr/bin/make
cp make /usr/bin/make ; rm make
#print recently changed files
print: $(FILES)
pr $? | $P
touch print
test:
make -dp | grep -v TIME>1zap
/usr/bin/make -dp | grep -v TIME>2zap
diff 1zap 2zap
rm 1zap 2zap
lint: dosys.c donamc.c file.c main.c misc.c version.c gram.c
$(LINT) dosys.c donamc.c file.c main.c misc.c version.c /
gram.c
rm gram.c
arch:
ar uv /sys/source/s2/make.a $(FILES)
----------------------------------------------------------
通常在描述文件中應象上面一樣定義要求輸出將要執行的命令。在執行了make命令之后，輸出結果為：
$ make
cc -c version.c
cc -c main.c
cc -c donamc.c
cc -c misc.c
cc -c file.c
cc -c dosys.c
yacc gram.y
mv y.tab.c gram.c
cc -c gram.c
cc version.o main.o donamc.o misc.o file.o dosys.o gram.o /
-LS -o make
13188+3348+3044=19580b=046174b
最后的數字信息是執行"@size make"命令的輸出結果。之所以只有輸出結果而沒有相應的命令行，是因為"@size make"命令以"@"起始，這個符號禁止打印輸出它所在的命令行。
描述文件中的最后幾條命令行在維護編譯信息方面非常有用。其中"print"命令行的作用是打印輸出在執行過上次"make print"命令后所有改動過的文件名稱。系統使用一個名為print的0字節文件來確定執行print命令的具體時間，而宏$?則指向那些在print文件改動過之后進行修改的文件的文件名。如果想要指定執行print命令后，將輸出結果送入某個指定的文件，那么就可修改P的宏定義：
make print "P= cat>zap"
在Linux中大多數軟件提供的是源代碼，而不是現成的可執行文件，這就要求用戶根據自己系統的實際情況和自身的需要來配置、編譯源程序后，軟件才能使用。只有掌握了make工具，才能讓我們真正享受到到Linux這個自由軟件世界的帶給我們無窮樂趣。
