练习28：Makefile 进阶

原文：Exercise 28: Intermediate Makefiles

在下面的三个练习中你会创建一个项目的目录框架，用于构建之后的C程序。这个目录框架会在这本书中剩余的章节中使用，并且这个练习中我会涉及到Makefile便于你理解它。

这个结构的目的是，在不凭借配置工具的情况下，使构建中等规模的程序变得容易。如果完成了它，你会学到很多GNU make和一些小型shell脚本方面的东西。

基本的项目结构

首先要做的事情是创建一个C的目录框架，并且放置一些多续项目都拥有的，基本的文件和目录。这是我的目录：

$ mkdir c-skeleton
$ cd c-skeleton/
$ touch LICENSE README.md Makefile
$ mkdir bin src tests
$ cp dbg.h src/   # this is from Ex20
$ ls -l
total 8
-rw-r--r--  1 zedshaw  staff     0 Mar 31 16:38 LICENSE
-rw-r--r--  1 zedshaw  staff  1168 Apr  1 17:00 Makefile
-rw-r--r--  1 zedshaw  staff     0 Mar 31 16:38 README.md
drwxr-xr-x  2 zedshaw  staff    68 Mar 31 16:38 bin
drwxr-xr-x  2 zedshaw  staff    68 Apr  1 10:07 build
drwxr-xr-x  3 zedshaw  staff   102 Apr  3 16:28 src
drwxr-xr-x  2 zedshaw  staff    68 Mar 31 16:38 tests
$ ls -l src
total 8
-rw-r--r--  1 zedshaw  staff  982 Apr  3 16:28 dbg.h
$

之后你会看到我执行了ls -l，所以你会看到最终结果。

下面是每个文件所做的事情：

LICENSE

如果你在项目中发布源码，你会希望包含一份协议。如果你不这么多，虽然你有代码的版权，但是通常没有人有权使用。

README.md

对你项目的简要说明。它以.md结尾，所以应该作为Markdown来解析。

Makefile

这个项目的主要构建文件。

bin/

放置可运行程序的地方。这里通常是空的，Makefile会在这里生成程序。

build/

当值库和其它构建组件的地方。通常也是空的，Makefile会在这里生成这些东西。

src/

放置源码的地方，通常是.c和.h文件。

tests/

放置自动化测试的地方。

src/dbg.h

我将练习20的dbg.h复制到了这里。

我刚才分解了这个项目框架的每个组件，所以你应该明白它们怎么工作。

Makefile

我要讲到的第一件事情就是Makefile，因为你可以从中了解其它东西的情况。这个练习的Makeile比之前更加详细，所以我会在你输入它之后做详细的分解。

CFLAGS=-g -O2 -Wall -Wextra -Isrc -rdynamic -DNDEBUG $(OPTFLAGS)
LIBS=-ldl $(OPTLIBS)
PREFIX?=/usr/local

SOURCES=$(wildcard src/**/*.c src/*.c)
OBJECTS=$(patsubst %.c,%.o,$(SOURCES))

TEST_SRC=$(wildcard tests/*_tests.c)
TESTS=$(patsubst %.c,%,$(TEST_SRC))

TARGET=build/libYOUR_LIBRARY.a
SO_TARGET=$(patsubst %.a,%.so,$(TARGET))

# The Target Build
all: $(TARGET) $(SO_TARGET) tests

dev: CFLAGS=-g -Wall -Isrc -Wall -Wextra $(OPTFLAGS)
dev: all

$(TARGET): CFLAGS += -fPIC
$(TARGET): build $(OBJECTS)
       ar rcs $@ $(OBJECTS)
       ranlib $@

$(SO_TARGET): $(TARGET) $(OBJECTS)
       $(CC) -shared -o $@ $(OBJECTS)

build:
       @mkdir -p build
       @mkdir -p bin

# The Unit Tests
.PHONY: tests
tests: CFLAGS += $(TARGET)
tests: $(TESTS)
       sh ./tests/runtests.sh

valgrind:
       VALGRIND="valgrind --log-file=/tmp/valgrind-%p.log" $(MAKE)

# The Cleaner
clean:
       rm -rf build $(OBJECTS) $(TESTS)
       rm -f tests/tests.log
       find . -name "*.gc*" -exec rm {} \;
       rm -rf `find . -name "*.dSYM" -print`

# The Install
install: all
       install -d $(DESTDIR)/$(PREFIX)/lib/
       install $(TARGET) $(DESTDIR)/$(PREFIX)/lib/

# The Checker
BADFUNCS='[^_.>a-zA-Z0-9](str(n?cpy|n?cat|xfrm|n?dup|str|pbrk|tok|_)|stpn?cpy|a?sn?printf|byte_)'
check:
       @echo Files with potentially dangerous functions.
       @egrep $(BADFUNCS) $(SOURCES) || true

要记住你应该使用一致的Tab字符来缩进Makefile。你的编辑器应该知道怎么做，但是如果不是这样你可以换个编辑器。没有程序员会使用一个连如此简单的事情都做不好的编辑器。

头部

这个Makefile设计用于构建一个库，我们之后会用到它，并且通过使用GNU make的特殊特性使它在任何平台上都可用。我会在这一节拆分它的每一部分，先从头部开始。

Makefile:1

这是通常的CFLAGS，几乎每个项目都会设置，但是带有用于构建库的其它东西。你可能需要为不同平台调整它。要注意最后的OPTFLAGS变量可以让使用者按需扩展构建选项。

Makefile:2

用于链接库的选项，同样也允许其它人使用OPTFLAGS变量扩展链接选项。

Makefile:3

设置一个叫做PREFIX的可选变量，它只在没有PREFIX设置的平台上运行Makefile时有效。这就是?=的作用。

Makefile:5

这神奇的一行通过执行wildcard搜索在src/中所有*.c文件来动态创建SOURCES变量。你需要提供src/**/*.c和src/*.c以便GNU make能够包含src目录及其子目录的所有此类文件。

Makefile:6

一旦你创建了源文件列表，你可以使用patsubst命令获取*.c文件的SOURCES来创建目标文件的新列表。你可以告诉patsubst把所有%.c扩展为%.o，并将它们赋给OBJECTS。

Makefile:8

再次使用wildcard来寻找所有用于单元测试的测试源文件。它们存放在不同的目录中。

Makefile:9

之后使用相同的patsubst技巧来动态获得所有TEST目标。其中我去掉了.c后缀，使整个程序使用相同的名字创建。之前我将.c替换为.o来创建目标文件。

Makefile:11

最后，我将最终目标设置为build/libYOUR_LIBRARY.a，你可以为你实际构建的任何库来修改它。

这就是Makefile的头部了，但是我应该对“让其他人扩展构建”做个解释。你在运行它的时候可以这样做：

# WARNING! Just a demonstration, won't really work right now.
# this installs the library into /tmp
$ make PREFIX=/tmp install
# this tells it to add pthreads
$ make OPTFLAGS=-pthread

如果你传入匹配Makefile中相同名称的变量，它们会在构建中生效。你可以利用它来修改Makefile的运行方式。第一条命令改变了PREFIX，使它安装到/tmp。第二条设置了OPTFLAGS，为之添加了pthread选项。

构建目标

我会继续Makefile的分解，这一部分用于构建目标文件（object file）和目标（target）：

Makefile:14

要记住在没有提供目标时make会默认运行第一个目标。这里它叫做all:，并且它提供了$(TARGET) tests作为构建目标。查看TARGET变量，你会发现这就是库文件，所以all:首先会构建出库文件。之后，tests目标会构建单元测试。

Makefile:16

另一个用于执行“开发者构建”的目标，它介绍了一种为单一目标修改选项的技巧，如果我执行“开发构建”，我希望CFLAGS包含类似Wextra这样用于发现bug的选项。如果你将它们放到目标的那行中，并再编写一行来指向原始目标（这里是all），那么它就会将改为你设置的选项。我通常将它用于在不同的平台上设置所需的不同选项。

Makefile:19

构建TARGET库，然而它同样使用了15行的技巧，向一个目标提供选项来为当前目标修改它们。这里我通过适用+=语法为库的构建添加了-fPIC。

Makefile:20

现在这一真实目标首先创建build目录，之后编译所有OBJECTS。

Makefile:21

运行实际创建TARGET的ar的命令。$@ $(OBJECTS)语法的意思是，将当前目标的名称放在这里，并把OBJECTS的内容放在后面。这里$@的值为19行的$(TARGET)，它实际上为build/libYOUR_LIBRARY.a。看起来在这一重定向中它做了很多跟踪工作，它也有这个功能，并且你可以通过修改顶部的TARGET，来构建一个全新的库。

Makefile:22

最后，在TARGET上运行ranlib来构建这个库。

Makefile:24-24

用于在build/和bin/目录不存在的条件下创建它们。之后它被19行引用，那里提供了build目标来确保build/目录已创建。

你现在拥有了用于构建软件的所需的所有东西。之后我们会创建用于构建和运行单元测试的东西，来执行自动化测试。

单元测试

C不同于其他语言，因为它更易于为每个需要测试的东西创建小型程序。一些测试框架试图模拟其他语言中的模块概念，并且执行动态加载，但是它在C中并不适用。这也不是必要的，因为你可以仅仅编写一个程序用于每个测试。

我接下来会涉及到Makefile的这一部分，并且你会看到test/目录中真正起作用的内容。

Makefile:29

如果你拥有一个不是“真实”的目标，只有有个目录或者文件叫这个名字，你需要使用g.PHONY:标签来标记它，以便make忽略该文件。

Makefile:30

我使用了与修改CFLAGS变量相同的技巧，并且将TARGET添加到构建中，于是每个测试程序都会链接TARGET库。这里它会添加build/libYOUR_LIBRARY.a用于链接。

Makefile:31

之后我创建了实际的test:目录，它依赖于所有在TESTS变量中列出的程序。这一行实际上说，“Make，请使用你已知的程序构建方法，以及当前CFLAGS设置的内容来构建TESTS中的每个程序。”

Makefile:32

最后，所有TESTS构建完之后，会运行一个我稍后创建的简单shell脚本，它知道如何全部运行他们并报告它们的输出、这一行实际上运行它来让你看到测试结果。

Makefile:34-35

为了能够动态使用Valgrind重复运行测试，我创建了valgrind:标签，它设置了正确的变量并且再次运行它。它会将Valgrind的日志放到/tmp/valgrind-*.log，你可以查看并了解发生了什么。之后tests/runtests.sh看到VALGRIND变量时，它会明白要在Valgrind下运行测试程序。

你需要为单元测试创建一个小型的shell脚本，它知道如何运行程序。我们开始创建这个tests/runtests.sh脚本：

echo "Running unit tests:"

for i in tests/*_tests
do
    if test -f $i
    then
        if $VALGRIND ./$i 2>> tests/tests.log
        then
            echo $i PASS
        else
            echo "ERROR in test $i: here's tests/tests.log"
            echo "------"
            tail tests/tests.log
            exit 1
        fi
    fi
done

echo ""

当我提到单元测试如何工作时，我会在之后用到它。

清理工具

我已经有了用于单元测试的工具，所以下一步就是创建需要重置时的清理工具。

Makefile:38

clean:目标在我需要清理这个项目的任何时候都会执行清理。

Makefile:39-42

这会清理不同编译器和工具留下的多数垃圾。它也会移除build/目录并且使用了一个技巧来清理XCode为调试目的而留下的*.dSYM。

如果你碰到了想要执行清理的垃圾，你只需要简单地扩展需要删除的文件列表。

安装

然后，我会需要一种安装项目的方法，对Makefile来说就是把构建出来的库放到通常的PREFIX目录下，它通常是/usr/local/lib。

Makefile:45

它会使install:依赖于all:目录，所以当你运行make install之后也会先确保一切都已构建。

Makefile:46

接下来我使用install程序来创建lib目标的目录。其中我通过使用两个为安装者提供便利的变量，尝试让安装尽可能灵活。DESTDIR交给安装者，便于在安全或者特定的目录里执行自己的构建。PREFIX在别人想要将项目安装到其它目录而不是/user/local时会被使用。

Makefile:47

在此之后我使用insyall来实际安装这个库，到它需要安装的地方。

install程序的目的是确保这些事情都设置了正确的权限。当你运行make install时你通常使用root权限来执行，所以通常的构建过程应为make && sudo make install。

检查工具

Makefile的最后一部分是个额外的部分，我把它包含在我的C项目中用于发现任何使用C中“危险”函数的情况。这些函数是字符串函数和另一些“不保护栈”的函数。

Makefile:50

设置变量，它是个稍大的正则表达式，用于检索类似strcpy的危险函数。

Makefile:51

这是check:目标，使你能够随时执行检查。

Makefile:52

它只是一个打印信息的方式，使用了@echo来告诉make不要打印命令，只需打印输出。

Makefile:53

对源文件运行egrep命令来寻找任何危险的字符串。最后的|| true是一种方法，用于防止make认为egrep没有找到任何东西是执行失败。

当你执行它之后，它会表现得十分奇怪，如果没有任何危险的函数，你会得到一个错误。

你会看到什么

我在完成这个项目框架目录的构建之前，还设置了两个额外的练习。下面这是我对Makefile特性的测试结果：

$ make clean
rm -rf build  
rm -f tests/tests.log
find . -name "*.gc*" -exec rm {} \;
rm -rf `find . -name "*.dSYM" -print`
$ make check
Files with potentially dangerous functions.
^Cmake: *** [check] Interrupt: 2

$ make
ar rcs build/libYOUR_LIBRARY.a
ar: no archive members specified
usage:  ar -d [-TLsv] archive file ...
      ar -m [-TLsv] archive file ...
      ar -m [-abiTLsv] position archive file ...
      ar -p [-TLsv] archive [file ...]
      ar -q [-cTLsv] archive file ...
      ar -r [-cuTLsv] archive file ...
      ar -r [-abciuTLsv] position archive file ...
      ar -t [-TLsv] archive [file ...]
      ar -x [-ouTLsv] archive [file ...]
make: *** [build/libYOUR_LIBRARY.a] Error 1
$ make valgrind
VALGRIND="valgrind --log-file=/tmp/valgrind-%p.log" make
ar rcs build/libYOUR_LIBRARY.a
ar: no archive members specified
usage:  ar -d [-TLsv] archive file ...
      ar -m [-TLsv] archive file ...
      ar -m [-abiTLsv] position archive file ...
      ar -p [-TLsv] archive [file ...]
      ar -q [-cTLsv] archive file ...
      ar -r [-cuTLsv] archive file ...
      ar -r [-abciuTLsv] position archive file ...
      ar -t [-TLsv] archive [file ...]
      ar -x [-ouTLsv] archive [file ...]
make[1]: *** [build/libYOUR_LIBRARY.a] Error 1
make: *** [valgrind] Error 2
$

当我运行clean:目标时它会生效，但是由于我在src/目录中并没有任何源文件，其它命令并没有真正起作用。我会在下个练习中补完它。

附加题

• 尝试通过将源文件和头文件添加进src/，来使Makefile真正起作用，并且构建出库文件。在源文件中不应该需要main函数。
• 研究check:目标会使用BADFUNCS的正则表达式来寻找什么函数。
• 如果你没有做过自动化测试，查询有关资料为以后做准备。