大话C语言：第46篇 C语言项目工程化之Makefile详解

1 Makefile概述

Makefile是一种用于自动化构建和管理程序的工具，以文本文件的形式存在。它主要记录了程序的编译规则、依赖关系和操作指令，使得在开发过程中能够轻松地进行代码的编译、链接和部署。

Makefile文件中的命令有一定规范，一旦该文件编写好以后在Linux命令行中执行一条make命令即可自动编译整个工程。不同厂家的make可能会稍有不同，并且语法上也有区别，不过基本思想都差不多，主要还是落在目标依赖上，最广泛使用的是GNUmake。

Makefile的主要作用包括：

  • 自动化编译和链接：通过定义编译器、编译选项、源文件、目标文件等信息，Makefile可以自动完成代码的编译和链接过程，从而提高开发效率。

  • 管理依赖关系：Makefile中可以指定各个源文件之间的依赖关系，确保在修改某个文件后，只需要重新编译该文件及其相关的依赖文件。

  • 跳过不必要的编译：Makefile通过检查源文件和目标文件的时间戳，可以避免重新编译未发生变化的文件，从而加快构建速度。

2 make概述

make是一个命令行工具和构建自动化工具，主要用于管理和构建软件项目。它通过Makefile文件来定义构建任务和依赖关系，并根据这些规则自动执行任务以生成最终的目标文件。

Makefile中包含了目标、依赖关系和相应的构建命令。make工具会根据目标和依赖关系来确定构建顺序，并执行构建命令以生成新的目标文件。这使得make能够根据代码的依赖关系自动构建并更新目标文件，从而提高编译效率。

make具有依赖管理功能，可以确保任务的正确构建顺序。它支持任务并行执行，并可以在多种操作系统上运行。make是一个稳定且广泛使用的工具，已经存在多年，适用于多种编程语言和项目类型的构建任务。

3 为什么需要make和Makefile？

之所以需要make和Makefile，主要原因主要可以归结为以下几点：

  • 自动化编译：在软件开发过程中，尤其是大型项目，源文件众多，编译过程复杂。手动编译不仅效率低下，而且容易出错。make和Makefile可以自动化地处理编译过程，根据源文件的依赖关系自动确定编译顺序，并执行相应的编译命令，大大提高了编译效率。

  • 管理依赖关系：在软件项目中，源文件之间往往存在复杂的依赖关系。当一个源文件发生变化时，可能需要重新编译与其相关的其他源文件。make和Makefile可以方便地管理这些依赖关系，确保在需要时只重新编译必要的文件，避免了不必要的重复编译。

  • 抽象构建逻辑：Makefile将构建逻辑抽象化，使得开发者能够专注于代码编写，而不必关心繁琐的构建过程。Makefile中定义了目标、依赖和命令，使得构建过程更加清晰、易于理解和维护。

  • 跨平台兼容性：make工具在不同的操作系统上都可以使用，只需要根据不同的操作系统和编译器编写相应的Makefile即可。这使得软件项目可以在不同的平台上进行构建，提高了项目的可移植性。

  • 可定制性：Makefile具有很高的可定制性，可以根据项目的具体需求进行灵活的配置。开发者可以定义自己的变量、规则和函数，以满足特定的构建需求。

  • 提高开发效率：通过自动化编译和管理依赖关系，make和Makefile可以大大减少开发人员在构建过程中的重复劳动，让他们有更多的时间专注于代码的开发和调试，从而提高开发效率。

4 Makefile语法规则

4.1 模块代码

实现简单计算器功能，核心功能包括：

  • 两位数的加法，功能文件add.h和add.c

  • 两位数的加法，功能文件subtract.h和subtract.c

  • 两位数的除法，功能文件divide.h和divide.c

  • 两位数的乘法，功能文件multiply.h和multiply.c

  • 计算器功能主入口，功能文件calculator.c

核心功能模块：两位数的加法

// add.h文件实现
#ifndef __ADD_H__
#define __ADD_H__/*
* 功能：实现两个整数相加
* @param num1 : 被加数
* @param num2 : 加数
* @return 两数相加之和
* @note 不考虑溢出问题
*/
int add(int num1, int num2); #endif
// add.c文件实现
#include "add.h"int add(int num1, int num2) 
{  return num1 + num2;  
}

核心功能模块：两位数的减法

// subtract.h文件实现
#ifndef __SUBTRACT_H__
#define __SUBTRACT_H__/*
* 功能：实现两个整数相减
* @param num1 : 被减数
* @param num2 : 减数
* @return 两数相减之差
* @note 不考虑溢出问题
*/
int subtract(int num1, int num2);  #endif
// subtract.c文件实现
#include "subtract.h"  int subtract(int num1, int num2) 
{  return num1 - num2;  
}

核心功能模块：两位数的除法

// divide.h文件实现
#ifndef __DIVIDE_H__
#define __DIVIDE_H__/*
* 功能：实现两个整数相除
* @param num1 : 被除数
* @param num2 : 除数，不能为0
* @return 两数相除
* @note 除数不能为0
*/
double divide(int num1, int num2); #endif
// divide.C文件实现
#include "divide.h" double divide(int num1, int num2) 
{  if (b != 0) {  return (double)num1 / num2;  } else {  return 0.0;  }  
}

核心功能模块：两位数的乘法

// multiply.h文件实现
#ifndef __MULTIPLY_H__
#define __MULTIPLY_H__/*
* 功能：实现两个整数相乘
* @param num1 : 被乘数
* @param num2 : 乘数
* @return 两数相乘
* @note 不考虑溢出问题
*/
int multiply(int num1, int num2);  #endif
// multiply.c文件实现
#include "multiply.h"  int multiply(int num1, int num2) 
{  return num1 * num2;  
}

核心功能模块：计算器功能主入口法

// calculator.c文件实现
#include <stdio.h>  
#include "add.h"
#include "subtract.h"  
#include "divide.h" 
#include "multiply.h" int main() 
{  int num1 = 20int num2 = 5;  printf("两数相加之和: %d\n", add(num1, num2));  printf("两数相减之差: %d\n", subtract(num1, num2));  printf("两数相乘之积: %d\n", multiply(num1, num2));  printf("两数相除之商: %f\n", divide(num1, num2));  return 0;  
}

4.2 Makefile基础语法规则

Makefile遵循基础规则如下：

target: dependencies  command  ...

其中，

- `target`：表示要生成的目标文件或执行的动作，它通常是文件名或特殊的伪目标（如`clean`）。
- `dependencies`：表示生成目标所依赖的文件列表，多个文件之间使用空格分隔。
- `command`：表示生成目标时执行的命令，每个命令占一行，且前面必须有一个Tab字符作为缩进。

4.3 make命令格式

make命令格式如下：

make [选项] [目标]

其中，

  • 选项：是 make 命令的可选参数，用于控制 make 的行为。

  • 目标：是要构建的目标文件或标签名。如果没有指定目标，make 会使用 Makefile 中的第一个目标（通常是 all）

make 命令选项包括：

  • -f FILE 或 --file=FILE：使用指定的 Makefile，而不是默认的 Makefile 或 makefile。

  • -n 或 --just-print：显示将要执行的命令，但并不真正执行它们。

  • -s 或 --silent 或 --quiet：不显示执行的命令。

  • -k 或 --keep-going：在出现错误时继续执行其他命令。

  • -j [N] 或 --jobs[=N]：同时运行命令的个数。如果没有指定 N，则 make 会尝试并行执行尽可能多的任务。

  • --load-average[=LOAD]：当系统负载高于某个值时，不运行新的任务。

  • -C DIR 或 --directory=DIR：在读取 Makefile 之前改变到指定的目录 DIR。

目标 通常是 Makefile 中定义的一个标签或文件名，它可能代表一个要构建的特定目标文件，或者是一组任务的集合。例如，Makefile 中可能定义了 all、clean、install 等目标。

一般的时候，直接使用make就可以。

4.4 多文件Makefile设计

以简单计算器为例，设计一个多文件编译的Makefile，具体内容如下：

calculator:calculator.o add.o subtract.o divide.o multiply.ogcc calculator.o add.o subtract.o divide.o multiply.o ‐o calculatorcalculator.o:calculator.cgcc ‐c calculator.c ‐o calculator.oadd.o:add.cgcc ‐c add.c ‐o add.osubtract.o:subtract.cgcc ‐c subtract.c ‐o subtract.odivide.o:divide.cgcc ‐c divide.c ‐o divide.omultiply.o:multiply.cgcc ‐c multiply.c ‐o multiply.oclean:rm *.o calculator ‐rf

注意，运行时使用make clean 就会执行clean后面的命令

5 Makefile变量

Makefile支持变量的使用，类似于C语言中的宏定义。变量可以用于存储文件名、编译选项等，使得Makefile更易于维护。

Makefile中的变量可以根据其来源和用途分为以下几类：

  • 环境变量：执行Makefile时从外部传入Make命令的环境变量。例如，`PWD 表示当前目录的绝对路径。环境变量通常是全局的，并且可以在整个Makefile中引用。

  • 内置变量或默认变量：Makefile中有一些内置的或默认的变量，这些变量在Makefile中有特定的含义和用途。例如，CC 用于指定编译器的类型，CFLAGS 用于指定编译器选项（如调试信息、优化等）。这些变量在Makefile中预定义，并且可以在需要时进行修改。

  • 自动变量：自动变量是Makefile中根据当前的目标和依赖关系自动生成的变量。例如，$@ 表示目标文件的名称（包含扩展名），$< 表示第一个依赖文件的名称。这些变量在规则中特别有用，因为它们可以根据上下文自动变化。

  • 用户自定义变量：除了上述几类变量外，用户还可以在Makefile中定义自己的变量。这些变量可以根据需要命名和赋值，用于存储文件名、目录路径、编译器选项等常用的定义，并可以动态地用于自动构建步骤的指令中。

5.1 用户自定义变量

用户自定义变量规则：

# 定义变量：
变量名=变量值# 变量引用或者使用
$(变量名)或${变量名}

注意：

  • 变量是大小写敏感的

  • 变量一般都在makefile的头部定义

  • 变量几乎可在makefile的任何地方使用

5.2 内置变量

makefile中有许多预定义变量，这些变量具有特殊的含义，可在makefile中直接使用。

变量名含义
$@当前规则中的目标文件名
$<当前规则中的第一个依赖文件名
$^当前规则中的所有依赖文件名列表
AR归档维护程序的程序名，默认值为ar
ARFLAGS归档维护程序的选项
AS汇编程序的名称，默认值为as
ASFLAGS汇编程序的选项
CCC编译器的名称，默认值为cc
CFLAGSC编译器的选项
CPPC预编译器的名称，默认值为$(CC) -E
CPPFLAGSC预编译的选项
CXXC++编译器的名称，默认值为g++
CXXFLAGSC++编译器的选项

5.3 优化多文件Makefile

基于Makefile变量规则，进一步优化设计多文件Makefile，优化后的Makefile如下：

# 编译器选项
CC=gcc
CFLAGS=‐Wall ‐g#目标文件选项
obj=calculator
obj1=add
obj2=subtract
obj3=divide
obj4=multiply
OBJ=calculator.o add.o subtract.o divide.o multiply.o# 构建目标程序
$(obj):$(OBJ)$(CC) $^ ‐o $@# 编译目标文件
$(obj).o:$(obj).c$(CC) $(CFLAGS) ‐c $< ‐o $@$(obj1).o:$(obj1).c$(CC) $(CFLAGS) ‐c $< ‐o $@$(obj2).o:$(obj2).c$(CC) $(CFLAGS) ‐c $< ‐o $@$(obj3).o:$(obj3).c$(CC) $(CFLAGS) ‐c $< ‐o $@$(obj4).o:$(obj4).c$(CC) $(CFLAGS) ‐c $< ‐o $@	# 中间文件清理
clean:rm $(OBJ) $(obj) ‐rf

Makefile支持使用通配符来匹配文件名，常用的通配符有：%：代表任意数量的任意字符，可以用于匹配文件名中的一部分。例如，%.o 表示所有以 .o 结尾的文件。

进一步优化Makefile文件：

# 编译器选项
CC=gcc
CFLAGS=‐Wall ‐g#目标文件选项
obj=calculator
OBJ=calculator.o add.o subtract.o divide.o multiply.o$(obj):$(OBJ)$(CC) $^ ‐o $@%.o:%.c$(CC) $(CFLAGS) ‐c $< ‐o $@# 中间文件清理
clean:
rm $(OBJ) $(obj) ‐rf

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