C实战：项目构建Make,Automake,CMake

C实战：项目构建Make,Automake,CMake

在本系列文章《C实战：强大的程序调试工具GDB》中我们简要学习了流行的调试工具GDB的使用方法。本文继续“C实战”的主题，对同样非常流行的构建工具Make的用法和原理一探究竟，并顺便看一下一些高级衍生产品。

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1.Make基础

首先我们编写一个简单的C项目，以此项目在实战中学习Make的相关知识。更全面的介绍请参考官方手册。

cdai@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ tree
.
├── hello.c
├── hello.h
├── main.c
└── Makefile

0 directories, 4 files

整个程序的逻辑非常简单：main.c中包含一个main方法，调用了hello.c中的sayHello()函数，打印了一句话到控制台上。

// cat main.c hello.h hello.c
// ----- main.c -----
#include "hello.h"

int main(void)
{
    sayHello("Make");
    return 1;
}

// ----- hello.h -----
#ifndef _HELLO_H_
#define _HELLO_H_

void sayHello(char *name);

#endif

// ----- hello.c -----
#include "hello.h"
#include <stdio.h>

void sayHello(char *name)
{
    printf("Hello, %s!\n", name);
}

1.1 基本语法

一个简单的Makefile包含很多规则(Rule)，每一条规则的语法结构由目标(Target)、先决条件(Prerequisite)、动作(Recipe)三部分组成：

• 目标：通常有两种命名方法，一是与要生成的可执行文件或目标文件同名，二是说明动作的目的，例如最常见的clean清理规则。对于第二种规则命名，为了避免与同名文件冲突，可以将目标名加入到.PHONY伪目标列表中。默认情况下，make执行Makefile中的第一个规则，此规则被称为最终目标
• 先决条件：先决条件是用来创建目标的输入文件，一个目标可以依赖多个先决条件
• 动作：动作由Make命令负责执行，可以包含多个命令，每个命令可以另起一行。一定要注意的是：命令必须以TAB开头！

target: prerequisite
    recipe

下面就看一下示例项目的Makefile是什么样子的。在Makefile中有3个规则，其中目标main依赖于main.o和hello.o，利用gcc执行链接，这与我们的代码结构是相对应的。而main.o和hello.o则分别依赖于各自的源代码.c文件和hello.h头文件，并利用gcc -c执行编译。

main: main.o hello.o
    gcc -o main main.o hello.o

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

hello.o: hello.c hello.h
    gcc -c hello.c -o hello.o

1.2 实现原理

Make看似非常智能，其实它的原理就像其语法规则一样简单。

1. 确定目标：如果没有指明，则执行最终目标，即第一个规则的目标
2. 处理变量和规则：替换变量，推导隐式规则（下一节会学习）
3. 生成依赖关系链：为所有目标生成依赖关系链
4. 递归构建：从依赖链的底部向上，根据先决条件会有三种情况：
   4.1 先决条件不存在，则执行规则中的命令
   4.2 先决条件存在，且至少一个比目标“更新”，则执行规则中的命令重新生成
   4.3 先决条件存在，且都比目标“更旧”， 则什么都不做

了解了Make的原理，就看一下我们的示例项目Make的执行过程。可以看到，Make以第一个目标main作为构建目标，从关系链底部的main.o和hello.o开始构建，最终生成了可执行文件main。接下来就执行main，可以看到控制台输出了”Hello, Make!”，证明我们构建成功了！

cdai@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ make
gcc -c main.c -o main.o
gcc -c hello.c -o hello.o
gcc -o main main.o hello.o

cdai@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ ./main
Hello, Make!

再次执行make会看到“‘main’ is up to date.”的提示，说明Make检测到了没有发生任何修改。如果我们做一点改动，例如修改以下sayHello()函数中的输出，再执行Make就能看到hello.o和main被重新构建，而main.o规则的命令没有被执行。

cdai@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ make
make: 'main' is up to date.

cdai@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ make
gcc -c hello.c -o hello.o
gcc -o main main.o hello.o

cdai@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ ./main
Hello111, Make!

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2.Make进阶

2.1 变量

在Makefile中，我们可以用变量来替换重复出现在先决条件或动作中的字符串。例如，对于前面我们的示例Makefile，最明显的问题就是gcc和main目标依赖的main.o和hello.o出现了多次，我们可以用变量将它们提取出来。同样地，我们也经常将链接和编译选项做成变量。

LD      = gcc
CC      = gcc
CFLAGS  = -Wall
OBJECTS = main.o hello.o


all: main

main: $(OBJECTS)
    $(LD) -o main $(OBJECTS)

main.o: main.c hello.h
    $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

hello.o: hello.c hello.h
    $(CC) $(CFLAGS) -c hello.c -o hello.o

执行一下make可以看到效果，我们提取出来的变量在执行之前都被替换到了正确的位置。

cdaih@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ make
gcc -Wall -c main.c -o main.o
gcc -Wall -c hello.c -o hello.o
gcc -o main main.o hello.o

2.2 隐式规则

使用Make编译.c源文件时，规则的命令和先决条件都可以简化，对于命令，我们不用明确指出，Make能够自动将.c编译成.o；对于先决条件，Make还会自动寻找.o对应的.c源文件，我们只需给出头文件即可。

LD      = gcc
OBJECTS = main.o hello.o


all: main

main: $(OBJECTS)
    $(LD) -o main $(OBJECTS)

main.o: hello.h
hello.o: hello.h

我们将main.o和hell.o的规则都做了简化，执行一下可以看到Make自动执行了cc -c，并根据目标找到了对应的源文件main.c和hello.c。

cdaih@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ make
cc    -c -o main.o main.c
cc    -c -o hello.o hello.c
gcc -o main main.o hello.o

2.3 模式规则

隐式规则虽然很方便，但有时我们还想自己控制规则，这时我们可以使用模式规则。老Make支持.c.o这种规则定义，而新Make一般推荐使用模式规则，因为它支持模式匹配，更灵活、更强大！例如，我们定义目标名匹配%.o和先决条件匹配%.c的话，就执行编译命令。这样main.o和hello.o被简化的同时，我们还对其进行了精确的控制。

LD      = gcc
CC      = gcc
CFLAGS  = -Wall
OBJECTS = main.o hello.o

%.o: %.c
    $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

all: main

main: $(OBJECTS)
    $(LD) -o main $(OBJECTS)

main.o: main.c hello.h
hello.o: hello.c hello.h

执行一下看看效果。

cdaih@vm /syspace/2-ccpp/24-pragmatic/build-tool/make $ make
gcc -Wall -c main.c -o main.o
gcc -Wall -c hello.c -o hello.o
gcc -o main main.o hello.o

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3.Makefile生成工具

Make的流行也带动起一批自动生成Makefile的工具，目的就是进一步减轻项目构建中的工作量，让我们程序员全身心投入到开发之中。在这些工具中，不得不提Automake和CMake。

3.1 Automake

Automake其实是一系列工具集Autotools中的一员，要想发挥Automake的威力，需要配合使用Autotools中的其他工具，例如autoscan、aclocal、autoconf和autoheader。在下面的Automake构建流程中，能看到这些工具的身影。

1. autoscan：生成configure.scan
2. configure.in：将configure.scan重命名为configure.in后，修改内容。重点是AM_INIT_AUTOMAKE和AC_CONFIG_FILES两项，如果没配置的话，下一步的aclocal是无法产生aclocal.m4的
3. aclocal：生成aclocal.m4
4. autoconf：生成configure
5. autoheader：生成config.h.in，使程序可移植
6. Makefile.am：手动编写Makefile.am。bin_PROGRAMS指定最终生成可执行文件的名称，helloworld_SOURCES指定所有源文件
7. NEWS AUTHORS README ChangeLog：手动创建
8. automake：执行automake -a生成Makefile.in
9. configure：执行./configure生成Makefile

# Step 1:
[root@vm automaketest]# autoscan

# Step 2:
[root@vm automaketest]# mv configure.scan configure.in
[root@vm automaketest]# cat configure.in
#                                               -*- Autoconf -*-
# Process this file with autoconf to produce a configure script.

AC_PREREQ([2.63])
AC_INIT(main, 1.0)
AM_INIT_AUTOMAKE(main, 1.0)
AC_CONFIG_SRCDIR([main.c])
AC_CONFIG_HEADERS([config.h])

# Checks for programs.
AC_PROG_CC

# Checks for libraries.

# Checks for header files.

# Checks for typedefs, structures, and compiler characteristics.

# Checks for library functions.

AC_CONFIG_FILES([Makefile])
AC_OUTPUT

# Step 3:
[root@vm automaketest]# aclocal

# Step 4:
[root@vm automaketest]# autoconf

# Step 5:
[root@vm automaketest]# autoheader

# Step 6:
[root@vm automaketest]# cat Makefile.am 
bin_PROGRAMS=main
main_SOURCES=main.c hello.c

# Step 7:
[root@vm automaketest]# touch NEWS README AUTHORS ChangeLog

# Step 8:
[root@vm automaketest]# automake -a
configure.in:6: installing './install-sh'
configure.in:6: installing './missing'
Makefile.am: installing './INSTALL'
Makefile.am: installing './COPYING' using GNU General Public License v3 file
Makefile.am:     Consider adding the COPYING file to the version control system
Makefile.am:     for your code, to avoid questions about which license your project uses.
Makefile.am: installing './depcomp'

# Step 9:
[root@BC-VM-edce4ac67d304079868c0bb265337bd4 automaketest]# ./configure 
checking for a BSD-compatible install... /usr/bin/install -c
checking whether build environment is sane... yes
checking for a thread-safe mkdir -p... /bin/mkdir -p
checking for gawk... gawk
checking whether make sets $(MAKE)... yes
checking for gcc... gcc
checking for C compiler default output file name... a.out
checking whether the C compiler works... yes
checking whether we are cross compiling... no
checking for suffix of executables... 
checking for suffix of object files... o
checking whether we are using the GNU C compiler... yes
checking whether gcc accepts -g... yes
checking for gcc option to accept ISO C89... none needed
checking for style of include used by make... GNU
checking dependency style of gcc... gcc3
configure: creating ./config.status
config.status: creating Makefile
config.status: creating config.h
config.status: executing depfiles commands

这样Makefile就生成好了，看一下当前目录发现已经这么多文件了！如果想清理一下怎么办呢？其实Automake早为我们想好了，它生成的Makefile功能很多：
+ make：编译源代码，生成目标文件
+ make clean：清理之前make产生的临时文件
+ make install：将编译好的可执行文件安装到系统目录，一般为/usr/local/bin
+ make dist：生成软件发布包，将可执行文件及相关文件打包成”PACKAGE-VERSION.tar.gz”的tarball。其中PACKAGE和VERSION可以在configure.in中通过AM_INIT_AUTOMAKE(PACKAGE, VERSION)定义。对于我们的例子，执行后会生成main-1.0.tar.gz
+ make distcheck：查看发布包是否正确，解压开执行configure和make来确认
+ make distclean：不仅将make产生的文件，同时将configure生成的文件也都删除，包括Makefile

[root@vm automaketest]# make dist
{ test ! -d "main-1.0" || { find "main-1.0" -type d ! -perm -200 -exec chmod u+w {} ';' && rm -fr "main-1.0"; }; }
test -d "main-1.0" || mkdir "main-1.0"
test -n "" \
    || find "main-1.0" -type d ! -perm -755 \
        -exec chmod u+rwx,go+rx {} \; -o \
      ! -type d ! -perm -444 -links 1 -exec chmod a+r {} \; -o \
      ! -type d ! -perm -400 -exec chmod a+r {} \; -o \
      ! -type d ! -perm -444 -exec /bin/sh /root/Temp/automaketest/install-sh -c -m a+r {} {} \; \
    || chmod -R a+r "main-1.0"
tardir=main-1.0 && /bin/sh /root/Temp/automaketest/missing --run tar chof - "$tardir" | GZIP=--best gzip -c >main-1.0.tar.gz
{ test ! -d "main-1.0" || { find "main-1.0" -type d ! -perm -200 -exec chmod u+w {} ';' && rm -fr "main-1.0"; }; }


[root@vm automaketest]# tree -L 1
.
├── aclocal.m4
├── AUTHORS
├── autom4te.cache
├── autoscan.log
├── ChangeLog
├── config.h
├── config.h.in
├── config.log
├── config.status
├── configure
├── configure.in
├── COPYING -> /usr/share/automake-1.11/COPYING
├── depcomp -> /usr/share/automake-1.11/depcomp
├── hello.c
├── hello.h
├── INSTALL -> /usr/share/automake-1.11/INSTALL
├── install-sh -> /usr/share/automake-1.11/install-sh
├── main.c
├── main-1.0.tar.gz
├── Makefile
├── Makefile.am
├── Makefile.in
├── missing -> /usr/share/automake-1.11/missing
├── NEWS
├── README
└── stamp-h1

1 directory, 24 files

[root@vm automaketest]# make distclean
test -z "main" || rm -f main
rm -f *.o
rm -f *.tab.c
test -z "" || rm -f 
test . = "." || test -z "" || rm -f 
rm -f config.h stamp-h1
rm -f TAGS ID GTAGS GRTAGS GSYMS GPATH tags
rm -f config.status config.cache config.log configure.lineno config.status.lineno
rm -rf ./.deps
rm -f Makefile

测试一下，看看Automake生成的Makefile是否能正常工作。

[root@vm automaketest]# make
make  all-am
make[1]: Entering directory '/root/Temp/automaketest'
gcc -DHAVE_CONFIG_H -I.     -g -O2 -MT main.o -MD -MP -MF .deps/main.Tpo -c -o main.o main.c
mv -f .deps/main.Tpo .deps/main.Po
gcc -DHAVE_CONFIG_H -I.     -g -O2 -MT hello.o -MD -MP -MF .deps/hello.Tpo -c -o hello.o hello.c
mv -f .deps/hello.Tpo .deps/hello.Po
gcc  -g -O2   -o main main.o hello.o  
make[1]: Leaving directory '/root/Temp/automaketest'

[root@vm automaketest]# ./main 
Hello, Make!

3.2 CMake

前面我们已经见识了Automake的强大和复杂。现在我们重新用CMake生成Makefile，Automake中的9步被压缩到了只需要2步！

1. 编写CMakeLists.txt
2. 执行cmake .

3.2.1 CMakeLists.txt

对于我们示例中这种简单的项目，CMakeLists.txt简单得不能再简单了。指定好项目名称和最终生成的可执行文件名称后，就完成了！

# CMake 最低版本号要求
cmake_minimum_required (VERSION 2.8)

# 项目信息
project (main)

# 查找当前目录下的所有源文件
# 并将名称保存到 DIR_SRCS 变量
aux_source_directory(. DIR_SRCS)

# 指定生成目标
add_executable(main ${DIR_SRCS})

3.2.2 cmake

现在执行cmake .就能得到一个CMake为我们自动生成的Makefile。这个Makefile比我们手写的要复杂得多，这里就不深入分析了。除了Makefile外，CMake还产生了一些缓存文件和临时文件，目前还不清楚具体是做什么的。

[root@vm cmaketest]# cmake .
-- The C compiler identification is GNU 4.4.7
-- The CXX compiler identification is GNU 4.4.7
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc -- works
-- Detecting C compiler ABI info
-- Detecting C compiler ABI info - done
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++ -- works
-- Detecting CXX compiler ABI info
-- Detecting CXX compiler ABI info - done
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: /root/Temp/cmaketest

[root@vm cmaketest]# tree -L 1
.
├── CMakeCache.txt
├── CMakeFiles
├── cmake_install.cmake
├── CMakeLists.txt
├── hello.c
├── hello.h
├── main.c
└── Makefile

1 directory, 7 files

[root@vm cmaketest]# make
Scanning dependencies of target main
[ 50%] Building C object CMakeFiles/main.dir/main.c.o
[100%] Building C object CMakeFiles/main.dir/hello.c.o
Linking C executable main
[100%] Built target main

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附：参考资料

1. make官方手册
2. make学习记录
3. CMake入门实战
4. 使用autotools生成makefile文件入门
5. automake/autoconf入门