GNU Make¶

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Abstract

GNU Make是一个用于自动化编译的工具，它可以根据文件的依赖关系自动执行编译任务.本文将介绍GNU Make的基本使用方法.

为啥要学Make？

属于是为了这盘醋包了顿饺子，由于数据结构基础这门课的大作业或多或少需要用到多文件编译，我干脆就希望使用Make进行自动化编译，而且在系统课上接触了Makefile的编写，所以就有了这篇文章.

Part 1 别急，先看看 gcc 编译！¶

gcc的编译过程可以简要分为四个阶段：预处理、编译、汇编、链接.

gcc编译工具链是以gcc编译器为核心的一整套工具，主要包含以下三部分内容：

gcc-core：亦即gcc编译器，用于完成预处理过程和编译过程，将C代码转换成汇编代码；
Binutils：包含了除了gcc编译器以外的一系列小工具，比如汇编器as、连接器ld、目标文件格式查看器readelf等；
glibc：GNU C Library，是GNU组织为了GNU系统以及Linux系统编写的C语言标准库.

1.1 预处理/Pre-Processing¶

预处理阶段的主要任务是处理源文件以#开头的预处理指令，比如#include、#define等.这里主要是将#include的一些头文件与宏定义进行展开，生成一个.i文件.

预处理过程输入的是C的源文件，输出的是一个中间/预加载文件，这个文件还是C代码.此阶段使用gcc参数-E，同时参数-o指定了最后输出文件的名字，下面的例子就将main.c文件经过预处理生成main.i文件：

gcc -E main.c -o main.i

1.2 编译/Compiling¶

编译过程使用gcc编译器将预处理后的.i文件通过编译转换为汇编语言，生成一个.s文件.这是gcc编译器完成的工作，在这部分过程之中，gcc编译器会检查各个源文件的语法，即使我们调用了一个没有定义的函数，也不会报错，

编译过程输入的是一个中间/预加载文件，输出的是一个汇编文件，当然，直接以C文件作为输入进行编译也是可以的.此阶段使用gcc参数-S，具体例子如下：

gcc -S main.i -o main.s
gcc -S main.c -o main.s

1.3 汇编/Assembling¶

汇编阶段的主要任务是将汇编语言文件经过汇编，生成目标文件.o文件，每一个源文件都对应一个目标文件.即把汇编语言的代码转换成机器码，这是as汇编器完成的工作.

汇编过程输入的是汇编文件，输出.o后缀的目标文件，gcc的参数-c表示只编译源文件但不链接，当然，我们也可以直接输入C源文件，就直接包含了前面两个过程.

gcc -c main.s -o main.o
gcc -c main.c -o main.o

Linux下生成的.o目标文件、.so动态库文件以及下一小节链接阶段生成最终的可执行文件都是elf格式的，可以使用 readelf 工具来查看它们的内容.

从 readelf 的工具输出的信息，可以了解到目标文件包含ELF头、程序头、节等内容，对于.o目标文件或.so库文件，编译器在链接阶段利用这些信息把多个文件组织起来，对于可执行文件，系统在运行时根据这些信息加载程序运行.

1.4 链接/Linking¶

最后将每个源文件对应的.o文件链接起来，就生成了一个可执行程序文件，这是这是链接xx器ld完成的工作.

例如一个工程里包含了A和B两个代码文件，在链接阶段，链接过程需要把A和B之间的函数调用关系理顺，也就是说要告诉A在哪里能够调用到fun函数，建立映射关系，所以称之为链接.若链接过程中找不到fun函数的具体定义，则会链接报错.

链接分为两种：

动态链接：gcc编译时的默认选项.动态是指在应用程序运行时才去加载外部的代码库，不同的程序可以共用代码库.所以动态链接生成的程序比较小，占用较少的内存.
静态链接：链接时使用选项--static，它在编译阶段就会把所有用到的库打包到自己的可执行程序中.所以静态链接的优点是具有较好的兼容性，不依赖外部环境，但是生成的程序比较大.

gcc main.o -o main
gcc main.c -o main --static

Part 2 Makefile¶

2.1 书写规则¶

Makefile的规则包括两个部分：一个是依赖关系/prerequisites，另一个是生成目标的方法/command.在Makefile中，规则的顺序是很重要的，Makeflie中有且仅有一个最终目标，其他目标都是这个目标连带出来的，一般来说，定义在第一条规则的第一个目标就是最终目标，make完成的就是这个目标.

但是我们经常会遇见make a.o这样的命令，make后可以跟着一个或多个target，a.o作为make的参数，指定了执行的内容，优先级比Makefile里边的定义要高.换句话说，倘若make后边有目标，这个目标就是最终目标，make后边没目标，默认执行Makefile的第一个目标.

规则的语法是这样的：

targets : prerequisites
    recipe
    ...

或者这样的：

targets : prerequisites ; command
    recipe
    ...

targets是文件名，可以使用通配符，基本来说，我们的目标基本上是一个文件，可以是一个目标文件，可以是一个可执行文件，还可以是一个标签，是多个文件也是有可能的.

prerequisites是生成该target所依赖的文件或者target.

recipe是命令行，可以是任意的shell命令，如果其不与target:prerequisites在一行，那么，必须以 Tab 键开头，如果和prerequisites在一行，那么可以用分号做为分隔.如果命令太长，我们可以使用反斜杠\来作为换行符.

规则告诉make两件事：一个是文件的依赖关系，target依赖于prerequisites中的文件；另一个时就会如何生成目标文件，生成规则定义在recipe中，makefile最核心的内容是：

prerequisites中如果有一个以上的文件比target文件要新的话，recipe所定义的命令就会被执行.

2.2 使用变量¶

Makefile中的变量就像是C语言的宏一样，代表着一个文本字符串，在执行的时候会自动展开在所使用的地方，不过，我们可以在Makefile中改变其值.变量可以使用在目标，规则，依赖目标或者其他部分之中.

在声明变量的时候，我们需要给予其初值，使用的时候需要在变量名前面加上$符号，最好还用小括号括起来()，变量的名字可以包含字符，数字，下划线，甚至还可以数字开头，但是不能含有:，#，=或者空字符.

我们可以使用其他变量来构造变量的值，比如foo = $(bar)，这里的bar不一定非要是已经定义好的值，我们可以使用后面定义的值，这就很好了嘛，我们可以把变量的真实值退到后面去定义，但是无法避免递归定义，虽然make有能力检测这样的定义。

为了避免这个问题，我们使用:=操作符，对于VAR := value，右边的value会在定义的时候就被展开.