Makefile【1】 — 什么是Makefile、为什么要用Makefile、Makefile规则、Makefile流程如何实现增量编译

1、什么是 Makefile     

        Makefile 文件描述了 Linux 系统下 C/C++ 工程的编译规则，它用来自动化编译 C/C++ 项目。一旦写编写好 Makefile 文件，只需要一个 make 命令，整个工程就开始自动编译，不再需要手动执行 GCC 命令。一个中大型 C/C++ 工程的源文件有成百上千个，它们按照功能、模块、类型分别放在不同的目录中，Makefile 文件定义了一系列规则，指明了源文件的编译顺序、依赖关系、是否需要重新编译等。

Makefile 可以简单的认为是一个工程文件的编译规则，描述了整个工程的编译和链接等规则。其中包含了那些文件需要编译，那些文件不需要编译，那些文件需要先编译，那些文件需要后编译，那些文件需要重建等等。编译整个工程需要涉及到的，在 Makefile 中都可以进行描述。换句话说，Makefile 可以使得我们的项目工程的编译变得自动化，不需要每次都手动输入一堆源文件和参数。

2、为什么要使用 Makefile

以 Linux 下的 C 语言开发为例来具体说明一下，多文件编译生成一个文件，编译的命令如下所示：

gcc -o outfile name1.c name2.c ...

outfile 要生成的可执行程序的名字，nameN.c 是源文件的名字。这是我们在 Linux 下使用 gcc 编译器编译 C 文件的例子。如果我们遇到的源文件的数量不是很多的话，可以选择这样的编译方式。如果源文件非常的多的话，就会遇到下面的这些问题。

2.1、编译的时候需要链接库的的问题

下面列举了一些需要我们手动链接的标准库：

• name1.c 用到了数学计算库 math 中的函数，我们得手动添加参数 -lm；
• name4.c 用到了小型数据库 SQLite 中的函数，我们得手动添加参数 -lsqlite3；
• name5.c 使用到了线程，我们需要去手动添加参数 -lpthread；

因为有很多的文件，还要去链接很多的第三方库。所以在编译的时候命令会很长，并且在编译的时候我们可能会涉及到文件链接的顺序问题，所以手动编译会很麻烦。

如果我们学会使用 Makefile 就不一样了，它会彻底简化编译的操作。把要链接的库文件放在 Makefile 中，制定相应的规则和对应的链接顺序。这样只需要执行 make 命令，工程就会自动编译，省略掉手动编译中的参数选项和命令，非常的方便。

2.2、编译大的工程会花费很长的时间

Makefile 支持多线程并发操作，会极大的缩短我们的编译时间，并且当我们修改了源文件之后，编译整个工程的时候，make 命令只会编译我们修改过的文件，没有修改的文件不用重新编译，也极大的解决了我们耗费时间的问题。

并且文件中的 Makefile 只需要完成一次，一般我们只要不增加或者是删除工程中的文件，Makefile 基本上不用去修改，编译时只用一个 make 命令。为我们提供了极大的便利，很大程度上提高编译的效率。

3、Makefile 规则

它的规则主要是两个部分组成，分别是依赖的关系和执行的命令，其结构如下所示：

targets : prerequisites
    command

或者

targets : prerequisites; command
    command

相关说明如下：

• targets：规则的目标，是必须要有的，可以是 Object File（一般称它为中间文件），也可以是可执行文件，还可以是一个标签；
• prerequisites：是我们的依赖文件，要生成 targets 需要的文件或者是目标。可以是多个，用空格隔开，也可以是没有；
• command：make 需要执行的命令（任意的 shell 命令）。可以有多条命令，每一条命令占一行；

如果 command 太长, 可以用 \ 作为换行符。

注意：我们的目标和依赖文件之间要使用冒号分隔开，命令的开始一定要使用 Tab 键，不能使用空格键。

简单的概括一下Makefile 中的内容，它主要包含有五个部分，分别是：

3.1、显式规则

显式规则说明了，如何生成一个或多的的目标文件。这是由 Makefile 的书写者明显指出，要生成的文件，文件的依赖文件，生成的命令。

3.2、隐晦规则

由于我们的 make 命名有自动推导的功能，所以隐晦的规则可以让我们比较粗糙地简略地书写 Makefile，这是由 make 命令所支持的。

3.3、变量的定义

在 Makefile 中我们要定义一系列的变量，变量一般都是字符串，这个有点像 C 语言中的宏，当 Makefile 被执行时，其中的变量都会被扩展到相应的引用位置上。

3.4、文件指示

其包括了三个部分，一个是在一个 Makefile 中引用另一个 Makefile，就像 C 语言中的 include 一样；另一个是指根据某些情况指定 Makefile 中的有效部分，就像 C 语言中的预编译 #if 一样；还有就是定义一个多行的命令。

3.5、注释

Makefile 中只有行注释，和 UNIX 的 Shell 脚本一样，其注释是用 # 字符，如果你要在你的 Makefile 中使用 # 字符，可以用反斜框进行转义，如： \#。

3.6、规则中的通配符

• * 表示任意一个或多个字符
• ? 表示任意一个字符
• [...] [abcd] 表示 a,b,c,d中任意一个字符, [^abcd]表示除 a,b,c,d 以外的字符, [0-9] 表示 0~9中任意一个数字
• ~ 表示用户的 home 目录

4、Makefile 示例

make 安装：

sudo apt-get install make
make -v 	# 查看是否安装成功

main.cpp 代码：

#include 

int main()
{
    std::cout << "hello,world" << std::endl;
    return 0;
}

通过下面的例子来具体使用一下 Makefile 的规则，Makefile文件中添代码如下：

main: main.cpp
	g++ main.cpp -o main

其中 main 是的目标文件，也是我们的最终生成的可执行文件。依赖文件就是 main.cpp 源文件，重建目标文件需要执行的操作是 g++ main.cpp -o main。这就是 Makefile 的基本的语法规则的使用。

使用 Makefile 的方式：首先需要编写好 Makefile 文件，然后在 shell 中执行 make 命令，程序就会自动执行，得到最终的目标文件。

wohu@ubuntu:~/cpp/demo$ ls
main.cpp  `Makefile`
wohu@ubuntu:~/cpp/demo$ make 
g++ main.cpp -o main
wohu@ubuntu:~/cpp/demo$ ls
main  main.cpp  `Makefile`
wohu@ubuntu:~/cpp/demo$ ./main 
hello,world
wohu@ubuntu:~/cpp/demo$ 

如果命令的开始使用的是空格键，那么会报错

Makefile:2: *** missing separator.  Stop.

Makefile:2 表示第二行错误，应该以 Tab 开始。

5、Makefile 流程

当我们在执行 make 条命令的时候，make 就会去当前文件下找要执行的编译规则，也就是 Makefile 文件。我们编写 Makefile 的时可以使用的文件的名称 GNUMakefile 、makefile 、Makefile ，make 执行时回去寻找 Makefile 文件，找文件的顺序也是这样的。

推荐使用 Makefile（一般在工程中都这么写，大写的会比较的规范）。如果文件不存在，make 就会给我们报错，提示：

make: *** No targets specified and no `Makefile` found.  Stop.

在 Makefile 中添加下面的代码：

main: main.o   name.o greeting.o
	g++ main.o name.o greeting.o -o main
main.o: main.cpp
	g++ -c main.cpp -o main.o
name.o: name.cpp
	g++ -c name.cpp -o name.o
greeting.o: greeting.cpp
	g++ -c greeting.cpp -o greeting.o

在我们编译项目文件的时候，默认情况下，make 执行的是 Makefile 中的第一规则（Makefile 中出现的第一个依赖关系），此规则的第一目标称之为“最终目标”或者是“终极目标”。

在 shell 命令行执行的 make 命令，就可以得到可执行文件 main 和中间文件 main.o、name.o 和 greeting.o，main 就是我们要生成的最终文件。

通过 Makefile 我们可以发现，目标 main 在 Makefile 中是第一个目标，因此它就是 make 的终极目标，当修改过任何文件后，执行 make 将会重建终极目标 main。

它的具体工作顺序是：当在 shell 提示符下输入 make 命令以后。 make 读取当前目录下的 Makefile 文件，并将 Makefile 文件中的第一个目标作为其执行的“终极目标”，开始处理第一个规则（终极目标所在的规则）。

在我们的例子中，第一个规则就是目标 main 所在的规则。规则描述了 main 的依赖关系，并定义了链接 .o 文件生成目标 main 的命令；make 在执行这个规则所定义的命令之前，首先处理目标 main 的所有的依赖文件（例子中的那些 .o 文件）的更新规则（以这些 .o 文件为目标的规则）。

对这些 .o 文件为目标的规则处理有下列三种情况：

• 目标 .o 文件不存在，使用其描述规则创建它；
• 目标 .o 文件存在，目标 .o 文件所依赖的 “.cpp” 源文件 “.h” 文件中的任何一个比目标 .o 文件“更新”（在上一次 make 之后被修改），则根据规则重新编译生成它；
• 目标 .o 文件存在，目标 .o 文件比它的任何一个依赖文件（“.c” 源文件、“.h” 文件）“更新”（它的依赖文件在上一次 make 之后没有被修改），则什么也不做；

通过上面的更新规则我们可以了解到中间文件的作用，也就是编译时生成的 .o 文件。作用是检查某个源文件是不是进行过修改，最终目标文件是不是需要重建。

我们执行 make 命令时，只有修改过的源文件或者是不存在的目标文件会进行重建，而那些没有改变的文件不用重新编译，这样在很大程度上节省时间，提高编程效率。