Linux-GCC介绍+入门级Makefile使用

前言

（1）我们都知道，在Linux中编译.c文件需要使用 gcc -o .c文件的指令来将C文件变成可执行文件。但是我们有没有发现，如果我们需要编译大一点的工程，后面需要加上的.c文件是不是太多了？感觉非常的麻烦。
（2）那有没有什么方便的方法，帮助我们编译大型文件呢？有，也就是本章需要介绍的Makefile工具。需要注意的是，Makefile工具如果真的想全部学，内容很多想学的看 Makefile详细英文文档或 GNU Make 使用手册（于凤昌中译版）。 本文仅用于新手小白学习。
（3）本文将 先简单介绍GCC的编译流程，然后再讲解Makefile入门级使用。

GCC编译流程

单个.C文件变成可执行文件

简单介绍

（1）首先我们需要知道， 我们写的.c代码是无法直接使用的。如果是搞单片机的同学们都知道，一个.c文件需要先再keil这种编译器中先编译，然后 将生成的hex文件烧录到单片机中。（stlink那个虽然只需要我们点一下烧录就可以，但是实际上也是这么做的）
（2）那么这个hex文件是什么东西呢？我们打开hex文件发现，里面都是16进制的数字，而这些代码才是机器真正能够识别的代码。

（3）那么从.c文件到这些机器可执行的过程具体是什么呢？四个步骤： 预处理--> 编译 --> 汇编 --> 链接。
（4）但是在 日常生活中通常使用“编译”统称这 4 个步骤，不是特指这 4 个步骤中的某一个。 有时候也会有人将前三步称为编译，讲法不一，只要知道.c文件到机器可执行文件有四个步骤即可。

预处理

（1）预处理：在C/C++源文件中， 以“ #”开头的命令被称为预处理命令。预处理需要将
<1> 包含的文件放入原文件中。比如一个main.c中第一行写了#include，那么预处理阶段就需要将stdio.h文件包含到main.c中，上面一大段就是stdio.h文件的内容。
<2> 宏定义展开。比如我们此刻宏定义了printf为CSDN，所以在.i文件中CSDN部分变成了printf。
<3> 根据条件编译命令选择要使用的代码，最后将这些东西输出到一个“ .i”文件中等待进一步处理。
（2）格式： gcc -E .c文件 -o .i文件
（3）需要注意， 如果是直接 gcc -o 可执行文件名 .c文件 ，那么是直接完成了预处理，编译，汇编，和链接的四个步骤。而如果是加上-E，就是只执行预处理。

编译

（1）编译就是把 C/C++代码(比如上述的“.i”文件)“ 翻译” 成汇编代码，所用到的工具为 cc1。（名字为CC1，x86和arm板都有自己的CC1命令）。
（2）格式： gcc -S .c或者.i文件 -o .s文件
（3） 程序的语法错误是在这一阶段进行判断的。

汇编

（1）汇编：将汇编代码翻译成符合一定格式的机器代码（二进制代码，我们上面看到的是十六进制，稍微转换一下就是二进制了）。在Linux 系统上一般表现为 ELF 目标文件(OBJ 文件)，用到的工具为 as。 x86 有自己的 as 命令， ARM 版也有自己的 as 命令，也可能是 xxxx-as（比如 armlinux-as）。
（2）格式： gcc -c .c文件/.i文件/.s文件 -o .o文件
（3）反汇编：将机器代码转换为汇编代码，这在调试程序时常常用到。

链接

（1）链接就是将上步生成的 OBJ 文件和系统库的 OBJ 文件、 库文件链接起来，最终生成了可以在特定平台运行的可执行文件，用到的工具为 ld 或 collect2。
（2）格式： gcc -o 可执行文件 .c/.i/.s/.o文件都可以

多个.c文件编译

编译多个.c文件

（1）经过上面简介，我们对gcc编译流程有了简单的了解。那么问题来了，我们做项目不可能就只有一个.c文件，很可能是几十个.c文件，一个一个gcc -o这样编译很麻烦。那么我们介绍一下如何同时编译多个.c文件。
（2）格式： gcc -o 可执行文件 .c文件 .c文件 ...（后面接多个.c文件都行）

修改项目中一个.c文件

（1）经过上面这么一说，发现随着.c文件的增加，后面需要写入的.c也会更多，有些许麻烦。但是这不是最让人感到头痛的事情。
（2）假设我们突然发现这个文件需要修改，将其中一个.c文件进行修改之后，那么重新编译将会变的非常的麻烦。所以说，非常麻烦。这个时候Makefile的作用就体现出来了。

Makefile介绍

Makefile需要做到的效果

（1）在Linux中，没有比较好的图形化编译工具。如果我们是在windows上编写程序，以keilMDK举例，只用点击左上方的编译按键即可编译程序。

（2）而且在编译工程中，我们会发现。如果我们按左边这个按键，已经编译了一次程序之后，第二次即使有些许改动，编译就会非常快。而他右侧的这个，即使程序没有修改，编译也会非常慢。为什么呢？
因为 第一个按键只会编译修改部分，而第二个按键无论你有没有修改文件，都会重新编译一次。所以我比较喜欢使用第一个编译按键，我们这章需要讲的也是要实现这个功能。

（3） Windows中的编译非常简单，但是其实他内部的原理就是Makefile。

Makefile语法简单介绍

Makefile格式使用方法介绍

（1）Makefile非常简单，格式如下：
目标：依赖
【Tab】命令
（2）目标和依赖都是文件，为什么起这么奇怪的名字，可能是从英文直翻的。 上面这一段就像C语言的if函数，他作用就是比较“依赖文件”和“目标文件”的更新时间。如果“依赖文件”比“目标文件”更加新，那么执行“命令”来重新生成“目标文件”。
（3） 命令被执行的 2 个条件：依赖文件比目标文件新，或是目标文件还没生成。
（4）Makefile的文件名必须是Makefile或者makefile。
（5）在Makefile中，想要执行命令，格式是： make 目标。但是我们常常看到很多人只输入了一个make，因为如果我们不指定目标的话， 默认执行的是第一个目标所对应的规则。（这个不理解的话看下面的图文解释）

//将上述Makefile格式用C语言的形式进行表示
if（“依赖文件”更新时间 > “目标文件”更新时间）
    执行命令

Makefile图文介绍

执行Makefile的图文解释：
1，前面说了， 使用 make 目标来编译， 如果我们不指定目标的话， 默认执行的是第一个目标所对应的规则， 所以make与make test是等效的。
这个命令执行流程是：（1）首先判断test文件和main.o与test.o的更新时间。因为此时test文件不存在，所以命令可以执行。（可以看前面说的命令执行的两个条件）（2）因为main.o与sub.o是由main.c与sub.c而来的。所以他们又会去执行make main.o和make sub.o。因为make sub.o中，依赖文件s.c不存在，所以无法比较，程序终止。
2，当"目标文件"比"依赖文件"新的时候，命令不会执行。而main.o在make test中，已经执行了一次make main.o。而main.c没有被修改过，所以这里提示main.o已经是最新的了。
3，命令执行的条件有，依赖文件比目标文件新，或者目标文件不存在。因为命令中，永远不会产生目标文件，所以make cleal与make s.o永远可以执行。
4，需要注意的是， make clean没有依赖文件为什么可以执行是因为在程序先判断clean文件是否存在，发现不存在，所以就直接执行程序，而不是去找依赖文件了。 与第一问的makesub.o不同，需要注意。

Makefile伪目标--避免与当前目录下的同名文件

（1）上面我们说了，使用make clean可以将所有编译过程中产生的文件全部删除，但是其中存在问题。假如当前文件夹下也存在一个叫做clean的文件名怎么办呢？

这种情况能够做的办法有很多种，比如 <1>将clean文件名改一下，或者是 <2>将makefile中的目标文件clean改成当前目录下不存在的一个文件名。不过现在我要说的方法是，伪目标的方法。
格式： .PHONY： 目标

Makefile使用实战

最简单编写方式和使用（1）

（1）上面我们说了，假如一个项目有几千上万的.c文件，而我们只更改一个.c文件。对每一个文件都进行预处理，编译，汇编和链接，效率低下。
（2）所以，我们是不是可以先让每一个.c文件，先进行前三步，最后在进行一次链接呢？这样做，就 可以让我们就可以先判断.c文件与.o文件（.o文件就是执行了前三步骤后生成的）更改时间。
如果.o文件比.c文件更改时间更新，那么就表示这一个.c文件没有被修改。如果.c文件比.o文件更改时间更新，那么表示这一个文件被修改过了，于是重新进行一次预处理，编译和汇编。
最后将最终的可执行文件名与所有.o文件的更改时间做对比，如果可执行文件更改时间比.o文件的新，那么就说明这个项目文件就没有被修改过。如果所有.o文件中有一个.o文件比可执行文件更改时间更新，那么就将所有.o文件重新进行一次链接。
（3） 需要注意，命令部分前面需要使用TAB键进行缩进，不能是空格！！！

（4）当文件夹中有了Makefile（makefile也可以）文件之后，只需要输入make命令就可以执行Makefile文件了。

进阶编写（2）--通配符和自动化变量

（1）有了Makefile文件，我们对文件进行编译方便了很多。但是我们还是觉得麻烦，因为我们每一个项目都需要重新进行一次编写Makefile。而且如果项目文件一多，编写Makefile也极其花费时间。
（2）于是我们可以使用通配符和自动化变量，比如前面的main.o和sub.o都可以统一是使用%.o表示，main.c和sub.c统一使用%.c表示。

$@	表示所有目标文件
$<	表示第一个依赖文件， 如果依赖模式是%， 那么它就表示一系列文件。（%为通配符， 类似 linux上的 *）
$^	表示所有依赖文件
%.c	表示所有.c文件
%.o	表示所有.o文件

第一行不能使用%.o

虽然%.o可以表示所有的.o文件，但是 在第一行不能使用%.o代替，必须一个一个的.o文件写出来！ 这个时候有人会抱怨还是太麻烦了，别慌，后面讲解进阶编写（3）的时候会有解决办法。

正常写法

进阶编写（3）--自动包含.o文件

（1）根据上面的讲解之后，我们会发现，此时的Makefile文件已经比我们之前直接GCC编译好很多了。但还是可以完善，就是让他自动包含.o文件。这样才可以真正的实现我们一开始说的，模拟windows中的编译按键。
（2） 在这里我会先讲解Makefile的变量及其变量赋值，然后再讲解Makefile 的函数，最后才会说到如何编写最终版的Makefile文件。

变量及变量赋值

这部分主要是有了解就行，不然最终的进阶编写看不懂。

=	延时变量
：=	立即变量
？=	延时变量，只有第一次定义时赋值才成功；如果曾定义过，此赋值无效
+=	使用“+=” 赋值是追加赋值， 是在我们前面定义的好的字符串里面在添加进去新的字符串

=示例

（1）使用“=” 来赋值， 是延迟赋值。按照正常的思路，A=a，那么第二行B就应该是a。但是因为再Makefile中"="是延迟赋值，所以B最终的值是b

（2）关于延时赋值可能存在的bug，因为=是延时赋值，所以它会将最后一次出实现的值当成实际值。那么就存在一个问题。如果我A = $（A）怎么办呢？因为'='是延时赋值，所以最后一次赋值才是A的真实值，而$(A)作为最后一次赋值，它又要调用A本身，所以最后会变成一个死循环。
（3）最后执行的时候报错，说：递归变量'A'引用自身(eventuallv)。停止。

：=示例

（1）使用“ ： =” 给变量赋值， 是立刻赋值。这个就可以按照正常的C语言执行流程来，变量跑到那里，赋值就是那里，不会因为后面的赋值而导致变量数值改变。

（2）学习了立即赋值之后，关于上面延时赋值的bug我们就能够想到一个比较好的处理办法了。就是使用立刻赋值的方法。

？=示例

如果前面赋值了，就是之前的值（即a），如果前面没有被赋值（即第一行没有），就是当前值（即b）。

+=示例

使用“+=” 赋值是追加赋值， 是在我们前面定义的好的字符串里面在添加进去新的字符串，不过中间会有空格。

Makfile函数

wildcard 函数

格式： $ (wildcard PATTENR)
功能： 展开指定的目录，文件名之间用一个空格隔开
解释：比如我们需要查找当前目录，或者子目录下的某一种文件。类似于Windows中，有时候需要在一个目录中选中目标文件，可以选择只显示某一种类型文件，这样方便我们查找到目标文件。

notdir函数

格式： $ (notdir $ (var) )
功能： 去掉路径。
解释：上面查找到文件之后，会显示文件的路径。假如我们不想看文件路径，就可以使用这个函数。

dir函数

格式： $(dir )
功能： 取出目录， 这里的目录指的是最后一个反斜杠/ 之前的部分， 如果没有反斜杠/就返回当前。
解释：这个函数和notdir恰恰相反，notdir是将目录去除留下目标文件。而dir是将目标文件去除，留下路径。

patsubst函数

格式： $(patsubst 原文件， 目标文件， 文件列表）
功能： 替换文件后缀
解释：如果文件列表里面有main.c，sub.c，hello.i。三个文件，将原文件.c文件替换成.o文件，最后文件列表的文件就是main.o，sub.o，hello.i。

foreach函数

格式： $（foreach ,,）
功能:把参数中的单词逐一取出放到参数所指定的变量中， 然后再执行 所包含的表达式。 每一次 会返回一个字符串
解释：这个函数可以理解为C语言中的printf函数。C语言中的printf（“A=%d”，3），3就是list，A=%d就是test，而var就是%d。

实操进阶编写

上面讲了这么多，终于到了实操了。首先，我们先展开当前目录下的所有.c文件，然后将这些.c文件的前面的目录去除，之后再将.c替换成.o（ 注意，实际的文件名没有被替换）。最后将var3的值放在test之后即可。

进阶编写（4）--自动包含头文件

关于进阶编写（3）存在的bug

我们学完上面的，感觉一切OK了。但是有没有发现一件事情，就是如果我们没有修改.c文件，而只是修改了.h文件。那么执行make，它会自己改变吗？

解决办法

详情看下面文章：
Linux Makefile 生成 *.d 依赖文件以及 gcc -M -MF -MP 等相关选项说明

var1 =$(wildcard ./*.c)            #获取当前目录下的所有.c文件
var2 =$(notdir $(var1))            #将所有.c文件前面的路径去除
var3 =$(patsubst %c,%o,$(var2))    #将.c文件改成.o文件（注意，实际文件这里没有改动）
dep_files := $(patsubst %,.%.d, $(var3))  #将.o文件改为.o.d文件
dep_files := $(wildcard $(dep_files))     #获取所有.o.d文件列表

CFLAGS = -Werror -Iinclude

test : $(var3)
    gcc -o test $^

ifneq ($(dep_files),)
include $(dep_files)
endif

%.o : %.c
    gcc -c -o $@ $< -MD -MF [email protected]

.PHONY:clean
clean:
    rm -rf *.o test

.PHONY:distclean
distclean:
    rm $(dep_files)