1. 基本规则

除了Hello World这种极简单的程序之外,一般的程序都是由多个源文件编译链接而成的,这些源文件的处理步骤通常用Makefile来管理。Makefile起什么作用呢?我们先看一个例子,这个例子由例 12.3 “用深度优先搜索解迷宫问题”改写而成:

/* main.c */
#include <stdio.h>
#include "main.h"
#include "stack.h"
#include "maze.h"

struct point predecessor[MAX_ROW][MAX_COL] = {
	{{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
	{{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
	{{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
	{{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
	{{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
};

void visit(int row, int col, struct point pre)
{
	struct point visit_point = { row, col };
	maze[row][col] = 2;
	predecessor[row][col] = pre;
	push(visit_point);
}

int main(void)
{
	struct point p = { 0, 0 };

	maze[p.row][p.col] = 2;
	push(p);	
	
	while (!is_empty()) {
		p = pop();
		if (p.row == MAX_ROW - 1  /* goal */
		    && p.col == MAX_COL - 1)
			break;
		if (p.col+1 < MAX_COL     /* right */
		    && maze[p.row][p.col+1] == 0)
			visit(p.row, p.col+1, p);
		if (p.row+1 < MAX_ROW     /* down */
		    && maze[p.row+1][p.col] == 0)
			visit(p.row+1, p.col, p);
		if (p.col-1 >= 0          /* left */
		    && maze[p.row][p.col-1] == 0)
			visit(p.row, p.col-1, p);
		if (p.row-1 >= 0          /* up */
		    && maze[p.row-1][p.col] == 0)
			visit(p.row-1, p.col, p);
		print_maze();
	}
	if (p.row == MAX_ROW - 1 && p.col == MAX_COL - 1) {
		printf("(%d, %d)\n", p.row, p.col);
		while (predecessor[p.row][p.col].row != -1) {
			p = predecessor[p.row][p.col];
			printf("(%d, %d)\n", p.row, p.col);
		}
	} else
		printf("No path!\n");

	return 0;
}

我们把堆栈和迷宫的代码分别转移到模块stack.cmaze.c中,main.c包含它们提供的头文件stack.hmaze.h

/* main.h */
#ifndef MAIN_H
#define MAIN_H

typedef struct point { int row, col; } item_t;

#define MAX_ROW 5
#define MAX_COL 5

#endif

main.h中定义了一个类型和两个常量,main.cstack.cmaze.c都要用到这些定义,都要包含这个头文件。

/* stack.c */
#include "stack.h"

static item_t stack[512];
static int top = 0;

void push(item_t p)
{
	stack[top++] = p;
}

item_t pop(void)
{
	return stack[--top];
}

int is_empty(void)
{
	return top == 0;
}
/* stack.h */
#ifndef STACK_H
#define STACK_H

#include "main.h" /* provides definition for item_t */

extern void push(item_t);
extern item_t pop(void);
extern int is_empty(void);

#endif

例 12.3 “用深度优先搜索解迷宫问题”中的堆栈规定死了只能放char型数据,现在我们做进一步抽象,堆栈中放item_t类型的数据,item_t可以定义为任意类型,只要它能够通过函数的参数和返回值传递并且支持赋值操作就行。这也是一种避免硬编码的策略,stack.c中多次使用item_t类型,要改变它的定义只需改变main.h中的一行代码。

/* maze.c */
#include <stdio.h>
#include "maze.h"

int maze[MAX_ROW][MAX_COL] = {
	0, 1, 0, 0, 0,
	0, 1, 0, 1, 0,
	0, 0, 0, 0, 0,
	0, 1, 1, 1, 0,
	0, 0, 0, 1, 0,
};

void print_maze(void)
{
	int i, j;
	for (i = 0; i < MAX_ROW; i++) {
		for (j = 0; j < MAX_COL; j++)
			printf("%d ", maze[i][j]);
		putchar('\n');
	}
	printf("*********\n");
}
/* maze.h */
#ifndef MAZE_H
#define MAZE_H

#include "main.h" /* provides defintion for MAX_ROW and MAX_COL */

extern int maze[MAX_ROW][MAX_COL];
void print_maze(void);

#endif

maze.c中定义了一个maze数组和一个print_maze函数,需要在头文件maze.h中声明,以便提供给main.c使用,注意print_maze的声明可以不加extern,而maze的声明必须加extern

这些源文件可以这样编译:

$ gcc main.c stack.c maze.c -o main

但这不是个好办法,如果编译之后又对maze.c做了修改,又要把所有源文件编译一遍,即使main.cstack.c和那些头文件都没有修改也要跟着重新编译。一个大型的软件项目往往由上千个源文件组成,全部编译一遍需要几个小时,只改一个源文件就要求全部重新编译肯定是不合理的。

这样编译也许更好一些:

$ gcc -c main.c
$ gcc -c stack.c
$ gcc -c maze.c
$ gcc main.o stack.o maze.o -o main

如果编译之后又对maze.c做了修改,要重新编译只需要做两步:

$ gcc -c maze.c
$ gcc main.o stack.o maze.o -o main

这样又有一个问题,每次编译敲的命令都不一样,很容易出错,比如我修改了三个源文件,可能有一个忘了重新编译,结果编译完了修改没生效,运行时出了Bug还满世界找原因呢。更复杂的问题是,假如我改了main.h怎么办?所有包含main.h的源文件都需要重新编译,我得挨个找哪些源文件包含了main.h,有的还很不明显,例如stack.c包含了stack.h,而后者包含了main.h。可见手动处理这些问题非常容易出错,那有没有自动的解决办法呢?有,就是写一个Makefile文件和源代码放在同一个目录下:

main: main.o stack.o maze.o
	gcc main.o stack.o maze.o -o main

main.o: main.c main.h stack.h maze.h
	gcc -c main.c

stack.o: stack.c stack.h main.h
	gcc -c stack.c

maze.o: maze.c maze.h main.h
	gcc -c maze.c

然后在这个目录下运行make编译:

$ make
gcc -c main.c
gcc -c stack.c
gcc -c maze.c
gcc main.o stack.o maze.o -o main

make命令会自动读取当前目录下的Makefile文件[33],完成相应的编译步骤。Makefile由一组规则(Rule)组成,每条规则的格式是:

target ... : prerequisites ... 
	command1
	command2
	...

例如:

main: main.o stack.o maze.o
	gcc main.o stack.o maze.o -o main

main是这条规则的目标(Target)main.ostack.omaze.o是这条规则的条件(Prerequisite)。目标和条件之间的关系是:欲更新目标,必须首先更新它的所有条件;所有条件中只要有一个条件被更新了,目标也必须随之被更新。所谓“更新”就是执行一遍规则中的命令列表,命令列表中的每条命令必须以一个Tab开头,注意不能是空格,Makefile的格式不像C语言的缩进那么随意,对于Makefile中的每个以Tab开头的命令,make会创建一个Shell进程去执行它。

对于上面这个例子,make执行如下步骤:

  1. 尝试更新Makefile中第一条规则的目标main,第一条规则的目标称为缺省目标,只要缺省目标更新了就算完成任务了,其它工作都是为这个目的而做的。由于我们是第一次编译,main文件还没生成,显然需要更新,但规则说必须先更新了main.ostack.omaze.o这三个条件,然后才能更新main

  2. 所以make会进一步查找以这三个条件为目标的规则,这些目标文件也没有生成,也需要更新,所以执行相应的命令(gcc -c main.cgcc -c stack.cgcc -c maze.c)更新它们。

  3. 最后执行gcc main.o stack.o maze.o -o main更新main

如果没有做任何改动,再次运行make

$ make
make: `main' is up to date.

make会提示缺省目标已经是最新的了,不需要执行任何命令更新它。再做个实验,如果修改了maze.h(比如加个无关痛痒的空格)再运行make

$ make
gcc -c main.c
gcc -c maze.c
gcc main.o stack.o maze.o -o main

make会自动选择那些受影响的源文件重新编译,不受影响的源文件则不重新编译,这是怎么做到的呢?

  1. make仍然尝试更新缺省目标,首先检查目标main是否需要更新,这就要检查三个条件main.ostack.omaze.o是否需要更新。

  2. make会进一步查找以这三个条件为目标的规则,然后发现main.omaze.o需要更新,因为它们都有一个条件是maze.h,而这个文件的修改时间比main.omaze.o晚,所以执行相应的命令更新main.omaze.o

  3. 既然main的三个条件中有两个被更新过了,那么main也需要更新,所以执行命令gcc main.o stack.o maze.o -o main更新main

现在总结一下Makefile的规则,请读者结合上面的例子理解。如果一条规则的目标属于以下情况之一,就称为需要更新:

在一条规则被执行之前,规则的条件可能处于以下三种状态之一:

执行一条规则A的步骤如下:

  1. 检查它的每个条件P:

    • 如果P需要更新,就执行以P为目标的规则B。之后,无论是否生成文件P,都认为P已被更新。

    • 如果找不到规则B,并且文件P已存在,表示P不需要更新。

    • 如果找不到规则B,并且文件P不存在,则报错退出。

  2. 在检查完规则A的所有条件后,检查它的目标T,如果属于以下情况之一,就执行它的命令列表:

    • 文件T不存在。

    • 文件T存在,但是某个条件的修改时间比它晚。

    • 某个条件P已被更新(并不一定生成文件P)。

通常Makefile都会有一个clean规则,用于清除编译过程中产生的二进制文件,保留源文件:

clean:
	@echo "cleanning project"
	-rm main *.o
	@echo "clean completed"

把这条规则添加到我们的Makefile末尾,然后执行这条规则:

$ make clean 
cleanning project
rm main *.o
clean completed

如果在make的命令行中指定一个目标(例如clean),则更新这个目标,如果不指定目标则更新Makefile中第一条规则的目标(缺省目标)。

和前面介绍的规则不同,clean目标不依赖于任何条件,并且执行它的命令列表不会生成clean这个文件,刚才说过,只要执行了命令列表就算更新了目标,即使目标并没有生成也算。在这个例子还演示了命令前面加@-字符的效果:如果make执行的命令前面加了@字符,则不显示命令本身而只显示它的结果;通常make执行的命令如果出错(该命令的退出状态非0)就立刻终止,不再执行后续命令,但如果命令前面加了-号,即使这条命令出错,make也会继续执行后续命令。通常rm命令和mkdir命令前面要加-号,因为rm要删除的文件可能不存在,mkdir要创建的目录可能已存在,这两个命令都有可能出错,但这种错误是应该忽略的。例如上面已经执行过一遍make clean,再执行一遍就没有文件可删了,这时rm会报错,但make忽略这一错误,继续执行后面的echo命令:

$ make clean 
cleanning project
rm main *.o
rm: cannot remove `main': No such file or directory
rm: cannot remove `*.o': No such file or directory
make: [clean] Error 1 (ignored)
clean completed

读者可以把命令前面的@-去掉再试试,对比一下结果有何不同。这里还有一个问题,如果当前目录下存在一个文件叫clean会怎么样呢?

$ touch clean
$ make clean
make: `clean' is up to date.

如果存在clean这个文件,clean目标又不依赖于任何条件,make就认为它不需要更新了。而我们希望把clean当作一个特殊的名字使用,不管它存在不存在都要更新,可以添一条特殊规则,把clean声明为一个伪目标:

.PHONY: clean

这条规则没有命令列表。类似.PHONY这种make内建的特殊目标还有很多,各有不同的用途,详见[GNUmake]。在C语言中要求变量和函数先声明后使用,而Makefile不太一样,这条规则写在clean:规则的后面也行,也能起到声明clean是伪目标的作用:

clean:
	@echo "cleanning project"
	-rm main *.o
	@echo "clean completed"

.PHONY: clean

当然写在前面也行。gcc处理一个C程序分为预处理和编译两个阶段,类似地,make处理Makefile的过程也分为两个阶段:

  1. 首先从前到后读取所有规则,建立起一个完整的依赖关系图,例如:

    图 22.1. Makefile的依赖关系图

    Makefile的依赖关系图

  2. 然后从缺省目标或者命令行指定的目标开始,根据依赖关系图选择适当的规则执行,执行Makefile中的规则和执行C代码不一样,并不是从前到后按顺序执行,也不是所有规则都要执行一遍,例如make缺省目标时不会更新clean目标,因为从上图可以看出,它跟缺省目标没有任何依赖关系。

clean目标是一个约定俗成的名字,在所有软件项目的Makefile中都表示清除编译生成的文件,类似这样的约定俗成的目标名字有:



[33] 只要符合本章所描述的语法的文件我们都叫它Makefile,而它的文件名则不一定是Makefile。事实上,执行make命令时,是按照GNUmakefilemakefileMakefile的顺序找到第一个存在的文件并执行它,不过还是建议使用Makefile做文件名。除了GNU make,有些UNIX系统的make命令不是GNU make,不会查找GNUmakefile这个文件名,如果你写的Makefile包含GNU make的特殊语法,可以起名为GNUmakefile,否则不建议用这个文件名。