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link管理  ›  深入理解Makefile - 《自己动手写操作系统》 - 严富坤的知识库专栏(yanfukun.com)
main函数 gcc命令 自己动手写操作系统 makefile
https://www.yanfukun.com/read/myos/makefile
苦恼的羊肉串
5 月前

什么是Makefile？

Makefile 是一种文本文件，包含了一组规则，用于指导make工具如何编译和链接程序。Makefile中的规则通常包括目标文件、依赖文件和构建命令。通过Makefile，开发者可以定义构建过程中的各个步骤，并指定在文件变化时需要执行的操作。

Makefile的重要性

在开发一个软件项目时，通常需要编译源代码、链接库文件、生成可执行文件或其他构建目标。如果手动执行这些步骤，不仅繁琐，还容易出错。Makefile可以自动化这些过程，通过定义规则，使得项目的构建过程更加可靠和高效。此外，Makefile也是团队协作中不可或缺的工具，确保所有开发者遵循相同的构建过程，避免不一致的问题。

Makefile的基本概念

在深入学习Makefile之前，我们首先需要理解一些基本概念。

目标 (Target)

目标是Makefile中的核心概念之一，通常表示需要生成的文件或需要执行的操作。例如，目标可以是一个可执行文件、一个中间对象文件，甚至可以是一个清理命令。目标一般位于Makefile的每一条规则的左侧。 

  1. target: dependencies
  2.     command

依赖项 (Dependencies)

依赖项是目标生成所依赖的文件或其他目标。如果依赖项中的任何一个文件发生了变化，那么与之相关的目标就会被重新构建。

命令 (Commands)

命令是实际执行的操作，用于生成目标。通常是shell命令，例如编译器调用、文件复制、删除等。 

  1. main.o: main.c
  2.     gcc -c main.c -o main.o

在上面的例子中， main.o 是目标， main.c 是依赖项，而 gcc -c main.c -o main.o 是命令。

伪目标 (Phony Targets)

伪目标是不会生成文件的目标，通常用于执行特定操作，例如清理构建目录中的文件。伪目标通过使用 .PHONY 关键字声明。 

  1. .PHONY: clean
  2. clean:
  3.     rm -f *.o main

隐式规则 (Implicit Rules)

Makefile支持隐式规则，能够简化常见的构建操作。例如，Makefile可以自动识别如何从 .c 文件生成 .o 文件，而无需明确指定每一个步骤。

变量 (Variables)

Makefile中的变量允许你定义和复用字符串，通常用于保存编译器选项、文件列表等。 

  1. CC = gcc
  2. CFLAGS = -Wall
  4. main.o: main.c
  5.     $(CC) $(CFLAGS) -c main.c -o main.o

在这个例子中， $(CC) 和 $(CFLAGS) 是变量，它们被展开为具体的编译器和选项。

Makefile的基础语法

理解了基本概念后，我们来深入学习Makefile的基础语法。一个简单的Makefile通常包含以下几部分：

  • 注释 ：以 # 开头的行，用于解释代码。
  • 变量定义 ：可以通过 = 赋值，也可以通过 := 进行立即展开。
  • 规则 ：由目标、依赖项和命令组成。
  • 伪目标 ：用于执行特定操作，例如清理文件。
  • 自动变量 ： $@ , $< , $^ 等特殊变量，可以在规则中使用。

    • 注释

    Makefile中的注释与大多数编程语言相同，以 # 开头。例如： 

    1. # 这是一个注释

    变量定义与使用

    变量是Makefile中非常强大的特性，可以在定义后多次使用。变量可以是简单字符串，也可以是复杂的表达式。以下是一些常见的用法： 

    1. CC = gcc
    2. CFLAGS = -Wall -g
    4. # 使用变量
    5. main.o: main.c
    6.     $(CC) $(CFLAGS) -c main.c -o main.o

    规则

    规则是Makefile的核心组成部分。最简单的规则形式如下： 

    1. target: dependencies
    2.     command

    一个简单的示例

    假设我们有一个简单的C程序，包含 main.c 和 helper.c 两个源文件。一个简单的Makefile可能如下： 

    1. CC = gcc
    2. CFLAGS = -Wall -g
    3. OBJS = main.o helper.o
    4. TARGET = myprogram
    6. $




    
(TARGET): $(OBJS)
    7.     $(CC) $(CFLAGS) -o $(TARGET) $(OBJS)
    9. main.o: main.c
    10.     $(CC) $(CFLAGS) -c main.c -o main.o
    12. helper.o: helper.c
    13.     $(CC) $(CFLAGS) -c helper.c -o helper.o
    15. .PHONY: clean
    16. clean:
    17.     rm -f $(OBJS) $(TARGET)

    伪目标

    伪目标用于执行特定操作，最常见的例子就是清理目标文件： 

    1. .PHONY: clean
    2. clean:
    3.     rm -f *.o myprogram

    自动变量

    Makefile中的自动变量使得规则更简洁。常用的自动变量包括：

  • $@ : 代表当前的目标文件
  • $< : 代表第一个依赖项
  • $^ : 代表所有的依赖项 
    1. main.o: main.c
    2.     $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

    Makefile中的变量和模式

    变量类型

    在Makefile中，变量可以分为以下几种类型：

  • 简单变量（Simple Variables） ：使用 = 定义，值在使用时展开。
  • 递归变量（Recursive Variables） ：使用 := 定义，值在定义时展开。
  • 条件变量（Conditional Variables） ：用于条件分支。

    • 简单变量与递归变量 

    1. FOO = $(BAR)
    2. BAR = hello
    3. # 使用时FOO的值为hello
    5. BAZ := $(BAR)
    6. BAR = hello
    7. # 使用时BAZ的值为空

    模式匹配

    Makefile支持模式匹配规则，用于简化规则的编写，尤其是在处理多个文件时。模式匹配使用 % 符号来代表通配符。例如： 

    1. %.o: %.c
    2.     $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

    这个规则表示所有 .c 文件都可以生成对应的 .o 文件，而不需要单独为每个文件编写规则。

    目录操作

    在处理大型项目时，源代码通常分布在多个目录中。Makefile提供了处理目录的方式，使用 vpath 关键字可以指定搜索路径。 

    1. vpath %.c src/
    2. vpath %.h include/
    4. main.o: main.c
    5.     $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

    条件语句

    Makefile中可以使用条件语句，根据不同的情况生成不同的规则。例如： 

    1. ifeq ($(DEBUG), true)
    2.     CFLAGS += -g
    3. else
    4.     CFLAGS += -O2
    5. endif

    高级Makefile技巧

    函数

    Makefile提供了很多内置函数，可以用来处理字符串、文件列表等。常用的函数包括 subst 、 patsubst 、 wildcard 、 shell 等。

    例如， patsubst 函数可以用于替换模式： 

    1. SOURCES = main.c helper.c
    2. OBJS = $(patsubst %.c, %.o, $(SOURCES))

    这个示例将所有的 .c 文件替换为 .o 文件。

    静态模式规则

    静态模式规则允许你定义

    多个目标的规则，并且指定每个目标的依赖项。例如： 

    1. OBJS = main.o helper.o
    3. $(OBJS): %.o: %.c
    4.     $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

    自动化依赖管理

    在大型项目中，手动管理依赖关系非常繁琐且容易出错。使用GCC的 -MMD 选项可以自动生成依赖文件，Makefile可以根据这些文件动态生成依赖关系： 

    1. CFLAGS += -MMD
    2. include $(OBJS:.o=.d)

    这将生成 .d 文件，并在Makefile中包含这些依赖关系。

    并行构建

    Makefile支持并行构建，可以通过 make -j 命令来实现。并行构建能够显著提高构建速度，特别是在多核处理器上。 

    1. # 使用多个线程构建
    2. make -j4

    使用Makefile进行跨平台构建

    跨平台注意事项

    在使用Makefile进行跨平台构建时，需要注意不同平台上的命令、路径、库文件等差异。通过条件语句和变量，Makefile可以根据不同的平台生成不同的构建规则。

    处理不同的编译器和工具链

    不同平台可能使用不同的编译器和工具链。例如，在Linux上使用GCC，而在Windows上可能使用MinGW或Visual Studio。在Makefile中可以根据平台设置不同的编译器选项。 

    1. ifeq ($(OS),Windows_NT)
    2.     CC = x86_64-w64-mingw32-gcc
    3.     EXE = .exe
    4. else
    5.     CC = gcc
    6.     EXE =
    7. endif
    9. TARGET = myprogram$(EXE)
    11. $(TARGET): $(OBJS)
    12.     $(CC) $(CFLAGS) -o $@ $(OBJS)

    处理不同的库和依赖

    跨平台项目通常需要处理不同的库和依赖项。例如，某些库可能在Windows和Linux上有不同的名称或路径。可以通过条件变量在Makefile中进行配置。 

    1. ifeq ($(OS),Windows_NT)
    2.     LIBS = -lpthread
    3. else
    4.     LIBS = -lpthread -lm
    5. endif

    Makefile中的并行构建

    并行构建是提高大型项目构建速度的有效方式。Makefile天然支持并行构建，只需在执行 make 命令时指定 -j 选项即可。

    并行构建的原理

    并行构建的原理是同时执行多个独立的目标。例如，如果 main.o 和 helper.o 之间没有依赖关系，它们可以同时进行编译。通过 make -j 指定并行构建的线程数，例如 make -j4 表示使用四个线程。

    并行构建的挑战

    虽然并行构建能够提高速度，但也带来了一些挑战。例如，某些构建命令可能需要依赖于其他目标的完成，这时需要确保依赖关系正确无误。如果依赖关系不明确，可能会导致构建失败或产生错误的结果。

    优化并行构建

    在进行并行构建时，可以通过以下方式进行优化：

  • 合理设置依赖关系 ：确保所有依赖关系准确无误，避免不必要的重新编译。
  • 使用 .NOTPARALLEL ：对于某些特定目标，可以指定不进行并行构建。
  • 调整 -j 选项 ：根据项目的规模和机器的处理能力，合理设置并行线程数。

    • 常见的Makefile陷阱与调试

    常见问题

    在使用Makefile时，开发者可能会遇到一些常见的问题：

  • Tab与空格的混淆 ：Makefile中的命令必须以Tab开始，不能使用空格替代。
  • 依赖关系错误 ：如果依赖关系定义不正确，可能会导致目标文件没有正确更新。
  • 递归变量的误用 ：在定义变量时，如果使用 = 而非 := ，可能会导致意想不到的结果。

    • 调试技巧

    调试Makefile时，可以使用以下技巧：

  • 使用 make -n ：此选项会显示执行的命令，而不会实际运行它们，用于检查Makefile是否按照预期工作。
  • 使用 make -d ：此选项会显示详细的调试信息，包括依赖关系的解析过程。
  • 查看环境变量 ：有时候，环境变量会影响Makefile的执行。可以通过 make -p 查看所有变量的定义。

    • 性能调优

    对于大型项目，可以通过以下方式提升Makefile的执行效率：

  • 减少不必要的重新编译 ：通过准确设置依赖关系，避免不必要的重新编译。
  • 使用并行构建 ：充分利用多核处理器的优势，提高构建速度。
  • 优化文件I/O ：在Makefile中，尽量减少文件的重复读取和写入操作。

    • 实战：构建一个复杂的项目

    项目概述

    我们将构建一个包含多个模块的复杂项目。该项目包含以下几个模块：

  • 核心模块 ：负责项目的主要逻辑。
  • 工具模块 ：提供辅助功能。
  • 测试模块 ：用于对项目进行单元测试。

    • 目录结构

    首先，我们需要定义项目的目录结构： 

    1. project/
    2. ├── src/
    3. │   ├── main.c
    4. │   ├── core.c
    5. │   ├── core.h
    6. │   └── utils.c
    7. ├── include/
    8. │   ├── core.h
    9. │   └── utils.h
    10. ├── tests/
    11. │   ├── test_core.c
    12. │   └── test_utils.c
    13. └── Makefile

    编写Makefile

    接下来，我们为这个项目编写一个Makefile： 

    1. # 定义变量
    2. CC = gcc
    3. CFLAGS = -Wall -Iinclude
    4. SRCDIR = src
    5. OBJDIR = obj
    6. TESTDIR = tests
    7. TARGET = myprogram
    8. TEST_TARGET = test_suite
    10. # 获取源文件列表
    11. SRC = $(wildcard $(SRCDIR)/*.c)
    12. OBJS = $(patsubst $(SRCDIR)/%.c, $(OBJDIR)/%.o, $(SRC))
    14. # 获取测试文件列表
    15. TEST_SRC = $(wildcard $(TESTDIR)/*.c)
    16. TEST_OBJS = $(patsubst $(TESTDIR)/%.c, $(OBJDIR)/%.o, $(TEST_SRC))
    18. # 目标规则
    19. $(TARGET): $(OBJS)
    20.     $(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^
    22. # 测试目标
    23. $(TEST_TARGET): $(OBJS) $(TEST_OBJS)
    24.     $(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^
    26. # 编译源文件
    27. $(OBJDIR)/%.o: $(SRCDIR)/%.c
    28.     $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@
    30. # 编译测试文件
    31. $(OBJDIR)/%.o: $(TESTDIR)/%.c
    32.     $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@
    34. # 清理
    35. .PHONY: clean
    36. clean:
    37.     rm -f $(OBJDIR)/*.o $(TARGET) $(TEST_TARGET)

    构建和测试

    在命令行中执行 make 可以构建项目，执行 make clean 可以清理构建文件，执行 make test_suite 可以运行测试模块。

    跨平台兼容性

    为确保跨平台兼容性，我们可以根据不同平台设置不同的变量： 

    1. ifeq ($(OS),Windows_NT)
    2.     CC = x86_64-w64-mingw32-gcc
    3.     CFLAGS += -DWIN32
    4. else
    5.     CC = gcc
    6.     CFLAGS += -DUNIX
    7. endif

    通过这个设置，我们可以确保Makefile在不同的平台上都能正常工作。

    结论

    本文深入探讨了Makefile的基础和高级用法，从基础概念、变量、模式匹配到高级技巧如并行构建和跨平台支持，最后通过一个复杂项目的实战演示，帮助读者全面掌握Makefile的使用。希望通过这篇文章，读者能够更加自信地使用Makefile来管理和优化项目的构建过程。

     
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