【看表情包学Linux】探讨项目构建问题 | Makefile | 依赖关系与依赖方法

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💭 写在前面：本章我们要学习的是 makefile。会不会写 makefile，从一个侧面说明一个人是否具备完成大型工程的能力。一个工程中的源文件不计其数，按类型、功能、模块分别放在若干个目录中，makefile 定义了一系列的规则来指定，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于更复杂的功能操作。话不多说，让我们开始吧！

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Ⅰ. 初识 Makefile

0x00 引入：聊一聊项目构建的话题

项目构建这个话题说人话就是：关于你的项目和编译的话题。

对于项目构建的话题，一直用 VS 的同学可能会感叹道：

" 诶……我就从来就没这样的困扰，我在 VS 下创建多文件，运行直接特喵的 Ctrl + F5 就完事了 "

确实，编译时你需要按个键就能做到编译调试运行，编译个项目真的轻轻松松。

那是因为 VS 帮你自动维护了对应的项目结构！

❓ 思考：你可以试着思考一下下面的问题

多文件 $.c,\, .h,\, .cpp$ 我们先编译哪一个程序？
链接需要哪些库？
库和头文件等在哪里找？
整个项目结构，该如何维护？

上述问题你在 VS 下压根就没关心过，因为 VS 下都帮我们屁股擦得干干净净 ~

你只需要在你的 VS 下需要 $.c$ 就创建 $.c$ ，需要 $.h$ 就创建 $.h$ ，

需要包含头文件就 #include 头文件，因为 VS 自动帮你维护了项目的结构！

也不需要牵扯先编哪个后编哪个的话题，但是在 Linux 下这些东西该如何去弄呢？

💭 举个例子：

没有请问你要先编哪个后编哪个呢？最后怎么形成可执行程序呢？

若尚未学习 makefile，你怕不是会用 gcc 命令一个个去编，编完之后还要把它们链接起来。

" 啊这，这样成本也太高了，太烦了吧……"

如果你项目中存在 100 个 $.c$ ，70 个 $.h$ ，你在 VS 下编译直接运行就行，各种调各种编都可以。

但是如果这是在 Linux 中，有这么多的头文件和源文件，你就得把这些源文件一个个变成 $.o$ ，

然后再一个个把 $.o$ 链接起来形成可执行，头文件如果找不到的话还得自己去处理……

这些事在 Linux 中就需要我们去做了，为了能让这样的工作更适合地球人，于是就有了 makefile。

不是集成环境也没关系，我们可以使用 Makefile 来统一解决这样的问题。

0x01 什么是 Makefile

什么是 Makefile？

在我们 Linux 当中就是 make / makefile。make 是一个命令，makefile 是一个文件。

（为了不增加学习的成本，前期我们只用一个头文件给大家演示，并且会讲的浅一些）

💭 演示：如何使用 Makefile

如果放到之前，我们如果想编代码会自己 gcc，但实际上写 Makefile 也要 gcc。

但 Makefile 能让你不在命令行中打 gcc 命令操作，这能避免一些比较尴尬的情况。

比如下面这种 mytest.c 和 mytest 的顺序写反了的情况：

$ gcc mytest -o mytest.c

" 这……尬的我徒手抠出一个三室一厅 "

写选项时如果把生成可执行程序与源代码搞反了，又恰巧存在一个可执行，那源代码可能就寄了：

目录下存在一个叫 mytest 的可执行，此时如果不小心把选项写反，后果就是源代码直接消失：

$ gcc mytest -o mytest.c   ❌  写反了！！!

这种场景一不小心写反，可执行程序就覆盖掉了原文件，最后导致你的源代码都没了……

由此可见，在命令行操作时如果出现误操作，就会翻车。

" 毕竟人被杀就会死，道理大家懂得都懂。"

正是因为这些悲剧的存在，使得 Makefile 的光芒愈发温暖！

" Makefile，我滴神！我好喜欢你，为了你，我要疯狂的写bug！"

0x02 依赖关系与依赖方法

下面我们来正式介绍一下 Makefile，Makefile 需要两个东西，我们先介绍第一个东西。

需要在你当前路径或代码路径下创建一个 "Makefile" 或 "makefile" 文件（首字母大小写均可）

我们先做一些准备工作，然后创建一个名为 makefile 的文件：

现在有了 makefile 文件，下一步就是编写这个文件！

即在这个文件中添加对应的 "依赖关系" 和 "依赖方法"。

📚 makefile：是在当前路径下的一个普通文件，它会包含两个东西

依赖关系（Dependency Relationship）
依赖方法（Dependent Method）

第一次看到这两个词的朋友可能会一脸懵逼，

不如这样，我来举一个生活当中的例子帮助大家去理解它们的意思：

我们首先弄清楚一个概念，依赖是什么意思？什么是依赖？

假如你是个在校大学生，快要到月底了，这时候你可能就要打电话给你爸要生活费了。你打电话给你爸爸，说 "爸，我是你儿子。"，这就是表明依赖关系。你打电话告诉你爸你是他儿子的时候，实际上你的潜台词就是 "我要依赖你"。你给你爸打电话说："爸我是你儿子"，说完就把电话一挂，对于你爸来说会一脸懵逼 —— "这孩子今天怎么了，这是被绑架了？"，你爸就不太清楚了。也就是说，你在打电话时只是表明了依赖关系，但你并没有达到你想要做的目的（要下个月的生活费），所以正确的方法应该是："爸，我是你儿子，我要下个月的生活费。"，你表达了你是谁，并且要求给你打钱。

我是你儿子 —— 表明了 "依赖关系"，因为依赖关系的存在，所以才能给你打钱。

打钱 —— 就是 "依赖方法"，当你把依赖关系和依赖方法表明时，你就能达到要钱的目的。

依赖关系不对，依赖方法再对也没有用，比如你的舍友给你爸打电话，说："我是你儿子的舍友，给我打钱！"，你爸绝对不会打钱的。

依赖方法表明了，依赖方法不正确同样没有用，比如你打电话给你爸：说："我是你儿子，给我打钱我要充游戏！"，你爸也不会给你打钱的！

通过上面的比喻，相信你已经知道什么是依赖关系和依赖方法了，他们必须都为真。

依赖关系和依赖方法都要为真，才能达成要钱的目的！

$(\textrm{DR} \, \, \wedge \textrm{ DM}) \rightarrow \textrm{makefile}$

makefile 里面表明的就是依赖关系和依赖方法，按照现阶段的认识我们可以倒推一下：

Ⅱ. 实现简单的 Makefile

0x00 写一个最简单的 Makefile

💭 演示：写一个最基本的 Makefile

mytest:mytest.c
    gcc mytest.c -o mytest

至此，我们就把一个最基本的 Makefile 写完了。

我们来 cat 看一下我们写的 Makefile，第一行是依赖关系，紧接着第二行是依赖方法。

📌 注意：依赖关系后面紧跟依赖方法时前面要空一个 $tab$ ，再写依赖方法。

此时我们就有了一个最基本的 Makefile 了，我们编译 mytest.c 文件就可以不用再敲 gcc 命令了！

直接在命令行中输入：

$ make

🚩 输入效果：

输入 make，这里就自动形成了可执行程序，会帮我们从 Makefile 去找依赖关系和依赖方法。

我们来看看这小B窄汁都做了些什么 ——

（这个 3，我就是故意写这么大的，你就说你能把我怎么办吧）

看到这里有的人可能会觉得 ——

"你这不是脱裤子放屁么，这不还是要输 gcc 命令吗？这和我在命令行有什么区别？"

当前让你产生这种感觉，主要是因为：

① 上面我们写的 makefile 是最简单的 makefile 了，自然和命令行没什么差别。

② 我们目前的项目结构简单，如果后面遇到大的项目结构你就知道 Makefile 有多香了。

" 哈哈，毕竟谁会想敲一百多行 gcc 呢……"

最最最重要的是 ——

以后我们在 Linux 下编译代码就不需要敲 gcc 命令了，直接 make 就可以了。

它会给我们带来很多便捷，如果是第一次接触，现在可能还体会不到，后面慢慢就能体会到了。

0x01 项目的清理

刚才我们说的 make 就相当于 VS 下的 "生成解决方案" ：

但是 VS 下好像还有 "清理解决方案" 这样的功能，那我在 Linux 下也想拥有，怎么办？

" 得不到就毁掉？不，我们得不到还可以去 Makefile 嘛！"

💭 举个例子：

我们现在不想要这个可执行程序了，放在之前我们会直接 rm 掉这个文件。

但是假设有这样的一个场景：一个程序生产了大量的临时文件，你岂不是要疯狂的 rm？

无脑删又很容易把源代码删掉，这个时候我们就可以在 Makefile 里实现 "清理解决方案" 的功能！

.PHONY:clean
clean:

clean 没有依赖文件，也是存在依赖关系的，只不过这个 clean 没有依赖列表。

它后面的相当于是个孤儿，而 clean 被 $\textrm{{\color{Red} .PHONY}}$ 修饰成伪目标（这个我们下面会说）。

后面的 rm -f mytest 为依赖方法，我们现在来用一下看看效果如何！

刚才我们编译用的是 make，清理我们用 make clean：

🚩 输入效果如下：

此时如果想清理代码，在命令行直接输入 $make clean 即可。

📌 注意事项：再次强调，依赖方法前面必以 tab 键开头（红色框标记处）

0x02 多文件的 makefile

我们来演示一下多文件的 makefile。

我们先创建 3 个文件，分别是 main.c，test.c 和 test.h ：

vim 分别打开这三个文件，我们写一点东西进去：

此时如果我们 gcc，我们可以：

gcc -o hello main.c test.c

我们把 test.c 跟在 main.c 后面，这里不放 test.h 的原因是因为头文件在预处理阶段就已经展开到源文件中了。

现在我们开始写 makefile：

我们想生成的 hello 文件需要依赖于 main.o 和 test.o

但我们没有 .o，所以我们还需要进一步解释一下 main.o 和 test.o 是依赖谁的。

值得一提的是，下面两种写法都是可以的：

# 写全是这样的
gcc -c main.c -o main.o   
# 实际上，如果你不写后面的，makefile也会自动给你形成同名.o
gcc -c main.c

制作好 makefile 之后，我们 make 一下看看效果如何：

效果很好，我们再把清理功能写一下：

这里我们需要删除 $*.o$ 文件，星号代表的是通配符，意思为 " $.$ " 左边所有的内容我不关心，

只要它以 $.o$ 结尾的，就删掉。此外， $*$ 和 $.o$ 之间没有空格！

看看效果如何：

make 就相当于 VS 中的构建项目，而 make clean 就相当于是清理项目。

Ⅲ. PHONY 伪目标

0x00 .PHONY 定义伪目标

目标文件和伪目标，给我的一种感觉就是好像都是目标文件啊？这就像正规军和伪军，都是军队。

不管是目标文件还是伪目标，最终目的都是要根据自己的依赖关系执行依赖方法。

不知道你有没有观察到，我们的 makefile 有两个目标文件：

我们在 make 的时候，默认只帮我们生成 makefile 中的 mytest.c 目标文件。

而 make clean 是制作指定名称的目标文件，做清理的工作，我们首先来思考一个问题：

❓ 思考：为什么 make 的时候它总是执行第一个呢？

makefile 在自顶而下进行形成目标文件时，它可以根据你的需求形成多个目标文件。

我们这里有两个目标文件，一个是 mytest 一个是 clean，凭什么我 make 执行的是 mytest 而不是 clean？答案很简单，就凭我 mytest 是在前面写的！

如果我们把它们两的顺序换一下：

然后我们再来进行 make 看看：

所以 makefile 在形成文件时会自顶而下扫描，默认只会形式第一个目标文件，执行该依赖关系的依赖方法。

但是我们一般还是喜欢把形成可执行程序放在前面，也就是让 makefile 默认去形成：

那这个 $\textrm{{\color{Red} .PHONY}}$ 到底是干什么的呢？现在我们正式介绍一下这个东西。

$\textrm{{\color{Red} .PHONY}}$ 是 makefile 语法格式的一个关键字，表明 "总是被执行的" 。

比如 clean 被 $\textrm{{\color{Red} .PHONY}}$ 修饰时，表明 clean 是总是被执行的。

这个 "总是被执行" 这句话真的非常的莫名其妙，我们先通过代码来看看什么是 "总是被执行" ！

0x01 总是不被执行

"总是被执行" 就意味着还有 "总是不被执行" ，我们先来看看什么是 "总是不被执行" ？

💬 现象演示：总是不被执行

我们多次 make 之后它仍然是会提示 “make: `mytest` is up to date.” 这段话。

貌似只有第一次 make 的时候才会才会帮我们形成一个全新的 mytest ，再之后多次进行 make，

就会告知你 mytest 已经是一个可执行程序了，不能再生成了。

这种现象就叫做 "总是不被执行的" ，你已经是最新的可执行程序了，干嘛要再去形成呢。

如果自己的源代码已经用最新的源代码编译链接形成可执行文件了，那么编译器就不会再帮我们再重新根据你的 makefile 再重新给你生成了。因为既然变都没变，还给你生成那岂不是既浪费时间又浪费资源？

现在你可以不用去想它是怎么做到的，我们已经演示了 "总是不被执行" 的情况了。

0x02 总是被执行

我们刚才看了 "总是不被执行" 的现象，我们试试给我们的 mytest 也用 $\textrm{{\color{Red} .PHONY}}$ ，让它从默认的 "总是不被执行" 变成 "总是被执行" 看看：

现在 mytest 也变成了 "总是被执行" 了，现在我们来看看 "总是被执行" 是个什么现象：

💬 现象演示：总是被执行

被 $\textrm{{\color{Red} .PHONY}}$ 标记后，我们每次 make 都会执行 gcc mytest.c -o mytest

📚 总是被执行：无论目标时间是否新旧，照样执行依赖关系。

而我们一般不太建议、喜欢把我们形成的目标文件定义成伪目标，而是喜欢把清理定义成伪目标。

这也正是为什么我们每次 make clean 都能帮我们执行清理的根本原因。

❓ 思考：那 makefile 是如何识别我的 exe/bin 文件是新的还是旧的呢？

ACM 时间包含 Access 时间、Modify 时间与 Change 时间。

这个 Modify 和 Change 有什么区别呢？

我们知道，"文件 = 内容 + 属性"

如果是内容发生改变，就是 Modify；如果是属性发生改变，就是 Change。

修改内容也有可能引发 Change 的改变，因为修改内容可能会引起 change time 的变化

我们打开文件修改，Access 应不应该改变呢？我们读取 Access 变不变？

要变的！但是现在不会变！因为访问文件的频率是最高的，Modify 和 Change 是不得不变的，不变的化文件就不对了。但是我们大多数情况修改文件属性和修改文件内容是很低频的事情，但打开文件是非常高平的事情，Linux 后期内核对 Access 进行了优化，将文件打开访问，打开时间不会变化，累计一段时间后他才会变化。如果不这样，打开文件这种高频率的事情，一旦更新 Access 时间，就要将数据刷新到磁盘上，这实际上一个很没效率的事情。

具体 Access 的调整策略取决于 Linux 的版本。

💡 答案：通过对比你的源文件和可执行程序的更改时间 (modify time) 识别的新旧。根据原文件和可执行程序的最近修改时间，评估要不要重新生成。

现在我们再回头看刚才的问题：什么是 "总是被执行呢" ？

"总是被执行" 就是忽略对比时间 (modify time)，不看新旧，我让你执行你就给我执行。

📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2023.1.3
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📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
              本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！

📜 参考资料

C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

比特科技. Linux[EB/OL]. 2021[2021.8.31 xi