20-22 - 打造专业的编译环境

embedded/2024/9/22 19:53:04/

---- 整理自狄泰软件唐佐林老师课程

文章目录

  • 1. 大型项目的编译（无第三方库）
    • 1.1 大型项目的目录结构（无第三方库）
    • 1.2 项目结构设计分析
    • 1.3 需要打造的编译环境
    • 1.4 解决方案设计
  • 2. 第 1 阶段任务
    • 2.1 关键的实现要点
    • 2.2 模块 makefile 中的构成
    • 2.3 实验
  • 3. 第 2 阶段任务
    • 3.1 关键的实现要点
    • 3.2 开发中的经验假设
    • 3.3 解决方案设计
    • 3.4 makefile 中嵌入 shell 的 for 循环
    • 3.5 工程 makefile 中的关键构成
    • 3.6 链接时的注意事项
    • 3.7 实验
  • 4. 优化
    • 4.1 问题 1
    • 4.2 问题 2
    • 4.3 关键问题
    • 4.4 工程 makefile 的重构

1. 大型项目的编译（无第三方库）

1.1 大型项目的目录结构（无第三方库）

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1.2 项目结构设计分析

  • 项目被划分为不同模块
    • 每个模块的代码用一个文件夹进行管理
      文件夹由 inc、src、makefile 构成
    • 每个模块的对外函数声明统一放置于 common/inc 中
      如：common.h、xxxfunc.h

1.3 需要打造的编译环境

  • 源码文件夹在编译时不能被改动（只读文件夹）
  • 在编译时自动创建文件夹（build）用于存放编译结果
  • 编译过程中能够自动生成依赖关系，自动搜索需要的文件
  • 每个模块可以拥有自己独立的编译方式
  • 支持调试版本的编译选项

1.4 解决方案设计

  • 第 1 阶段：将每个模块中的代码编译成静态库文件

在这里插入图片描述

  • 第 2 阶段：将每个模块的静态库文件链接成最终可执行程序

在这里插入图片描述

2. 第 1 阶段任务

  • 完成可用于各个模块编译的 makefile 文件
  • 每个模块的编译结果为静态库文件（.a 文件）

2.1 关键的实现要点

  • 自动生成依赖关系（gcc -MM）
  • 自动搜索需要的文件（vpath）
  • 将目标文件打包为静态库文件（ar crs）

2.2 模块 makefile 中的构成

在这里插入图片描述

2.3 实验

在这里插入图片描述

.PHONY : all
# 声明all为伪目标（PHONY），避免与同名文件冲突。DIR_BUILD := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/00/build
DIR_COMMON_INC := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/00/common/inc
# 定义编译输出目录和公共头文件目录的路径。DIR_SRC := src
DIR_INC := inc
# 定义源文件目录和头文件目录的路径。TYPE_INC := .h
TYPE_SRC := .c
TYPE_OBJ := .o
TYPE_DEP := .dep
# 定义不同文件类型的扩展名，包括头文件（.h）、源文件（.c）、目标文件（.o）、依赖文件（.dep）。AR := ar
ARFLAGS := crs
# 定义生成静态库的工具和其使用的参数。CC := gcc
CFLAGS := -I$(DIR_INC) -I$(DIR_COMMON_INC)
# 定义编译器为gcc，CFLAGS包含了头文件搜索路径。ifeq ($(DEBUG),true)
CFLAGS += -g
endif
# 如果变量DEBUG为true，则添加-g选项用于生成调试信息。MODULE := $(realpath .)
MODULE := $(notdir $(MODULE))
DIR_OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(MODULE))
# 获取当前目录的绝对路径，将模块名设置为当前目录的名称，并定义模块的输出目录。OUTPUT := $(MODULE).a
OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(OUTPUT))
# 定义最终生成的静态库文件名，并设置输出路径。SRCS := $(wildcard $(DIR_SRC)/*$(TYPE_SRC))
OBJS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_OBJ))
OBJS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(OBJS))
DEPS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_DEP))
DEPS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(DEPS))
# 查找源文件，生成目标文件和依赖文件列表，并将它们从源目录映射到输出目录。vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_INC)
vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_COMMON_INC)
vpath %$(TYPE_SRC) $(DIR_SRC)
# 设置文件搜索路径，vpath用于在指定目录中查找特定类型的文件。-include $(DEPS)
# 包含所有生成的依赖文件，如果依赖文件不存在则跳过（-表示忽略错误）。all : $(OUTPUT)@echo "Success! Target ==> $(OUTPUT)"
# 定义默认目标all，生成最终的静态库，并打印成功信息。$(OUTPUT) : $(OBJS)$(AR) $(ARFLAGS) $@ $^
# 规则：生成静态库，将目标文件归档为静态库。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_OBJ) : %$(TYPE_SRC)$(CC) $(CFLAGS) -o $@ -c $(filter %$(TYPE_SRC), $^)
# 规则：编译源文件生成目标文件。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_DEP) : %$(TYPE_SRC)@echo "Creating $@ ..."@set -e; \$(CC) $(CFLAGS) -MM -E $(filter %$(TYPE_SRC), $^) | sed 's,\(.*\)\.o[ :]*,$(DIR_OUTPUT)/\1$(TYPE_OBJ) $@ : ,g' > $@
# 规则：生成依赖文件。通过gcc的-MM选项生成依赖信息，并使用sed命令调整格式，将生成的依赖信息重定向到依赖文件中。

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3. 第 2 阶段任务

  • 完成编译整个工程的 makefile 文件
  • 调用模块 makefile 编译生成静态库文件
  • 链接所有模块的静态库文件，最终得到可执行程序

在这里插入图片描述

3.1 关键的实现要点

  • 如何自动创建 build 文件夹以及子文件夹？
  • 如何进入每一个模块文件夹进行编译？
  • 编译成功后如何链接所有模块静态库？

3.2 开发中的经验假设

项目中的各个模块在设计阶段就已经基本确定，因此，在之后的开发过程中不会频繁随意的增加或减少

3.3 解决方案设计

  • 定义变量保存模块名列表（模块名变量）
  • 利用 shell 中的 for 循环遍历模块名变量
  • 在 for 循环中进入模块文件夹进行编译
  • 循环结束后链接所有的模块静态库文件

3.4 makefile 中嵌入 shell 的 for 循环

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  • 注意事项：
    makefile 中嵌入 shell 代码时，如果需要使用 shell 变量的值，必须在变量名前加上 $$（例如：$$dir）

在这里插入图片描述
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3.5 工程 makefile 中的关键构成

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3.6 链接时的注意事项

  • gcc 在进行静态库链接时必须遵循严格的依赖关系
    • gcc -o app.out x.a y.a z.a
      其中的依赖关系必须为：x.a–>y.a，y.a–>z.a
      默认情况下遵循自左向右的依赖关系
  • 如果不清楚库间的依赖，可以使用 -Xlinker 自动确定依赖关系
    • gcc -o app.out -Xlinker "-("z.a y.a x.a -Xlinker "-)"

3.7 实验

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  • common/makefile：
.PHONY : all
# 声明all为伪目标（PHONY），避免与同名文件冲突。DIR_BUILD := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/02/build
DIR_COMMON_INC := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/02/common/inc
# 定义编译输出目录和公共头文件目录的路径。DIR_SRC := src
DIR_INC := inc
# 定义源文件目录和头文件目录的路径。TYPE_INC := .h
TYPE_SRC := .c
TYPE_OBJ := .o
TYPE_DEP := .dep
# 定义不同文件类型的扩展名，包括头文件（.h）、源文件（.c）、目标文件（.o）、依赖文件（.dep）。AR := ar
ARFLAGS := crs
# 定义生成静态库的工具和其使用的参数。CC := gcc
CFLAGS := -I$(DIR_INC) -I$(DIR_COMMON_INC)
# 定义编译器为gcc，CFLAGS包含了头文件搜索路径。ifeq ($(DEBUG),true)
CFLAGS += -g
endif
# 如果变量DEBUG为true，则添加-g选项用于生成调试信息。MODULE := $(realpath .)
MODULE := $(notdir $(MODULE))
DIR_OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(MODULE))
# 获取当前目录的绝对路径，将模块名设置为当前目录的名称，并定义模块的输出目录。OUTPUT := $(MODULE).a
OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(OUTPUT))
# 定义最终生成的静态库文件名，并设置输出路径。SRCS := $(wildcard $(DIR_SRC)/*$(TYPE_SRC))
OBJS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_OBJ))
OBJS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(OBJS))
DEPS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_DEP))
DEPS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(DEPS))
# 查找源文件，生成目标文件和依赖文件列表，并将它们从源目录映射到输出目录。vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_INC)
vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_COMMON_INC)
vpath %$(TYPE_SRC) $(DIR_SRC)
# 设置文件搜索路径，vpath用于在指定目录中查找特定类型的文件。-include $(DEPS)
# 包含所有生成的依赖文件，如果依赖文件不存在则跳过（-表示忽略错误）。all : $(OUTPUT)@echo "Success! Target ==> $(OUTPUT)"
# 定义默认目标all，生成最终的静态库，并打印成功信息。$(OUTPUT) : $(OBJS)$(AR) $(ARFLAGS) $@ $^
# 规则：生成静态库，将目标文件归档为静态库。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_OBJ) : %$(TYPE_SRC)$(CC) $(CFLAGS) -o $@ -c $(filter %$(TYPE_SRC), $^)
# 规则：编译源文件生成目标文件。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_DEP) : %$(TYPE_SRC)@echo "Creating $@ ..."@set -e; \$(CC) $(CFLAGS) -MM -E $(filter %$(TYPE_SRC), $^) | sed 's,\(.*\)\.o[ :]*,$(DIR_OUTPUT)/\1$(TYPE_OBJ) $@ : ,g' > $@
# 规则：生成依赖文件。通过gcc的-MM选项生成依赖信息，并使用sed命令调整格式，将生成的依赖信息重定向到依赖文件中。
  • main/makefile：
.PHONY : all
# 声明all为伪目标（PHONY），避免与同名文件冲突。DIR_BUILD := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/02/build
DIR_MAIN_INC := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/02/main/inc
# 定义编译输出目录和公共头文件目录的路径。DIR_SRC := src
DIR_INC := inc
# 定义源文件目录和头文件目录的路径。TYPE_INC := .h
TYPE_SRC := .c
TYPE_OBJ := .o
TYPE_DEP := .dep
# 定义不同文件类型的扩展名，包括头文件（.h）、源文件（.c）、目标文件（.o）、依赖文件（.dep）。AR := ar
ARFLAGS := crs
# 定义生成静态库的工具和其使用的参数。CC := gcc
CFLAGS := -I$(DIR_INC) -I$(DIR_MAIN_INC)
# 定义编译器为gcc，CFLAGS包含了头文件搜索路径。ifeq ($(DEBUG),true)
CFLAGS += -g
endif
# 如果变量DEBUG为true，则添加-g选项用于生成调试信息。MODULE := $(realpath .)
MODULE := $(notdir $(MODULE))
DIR_OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(MODULE))
# 获取当前目录的绝对路径，将模块名设置为当前目录的名称，并定义模块的输出目录。OUTPUT := $(MODULE).a
OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(OUTPUT))
# 定义最终生成的静态库文件名，并设置输出路径。SRCS := $(wildcard $(DIR_SRC)/*$(TYPE_SRC))
OBJS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_OBJ))
OBJS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(OBJS))
DEPS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_DEP))
DEPS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(DEPS))
# 查找源文件，生成目标文件和依赖文件列表，并将它们从源目录映射到输出目录。vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_INC)
vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_MAIN_INC)
vpath %$(TYPE_SRC) $(DIR_SRC)
# 设置文件搜索路径，vpath用于在指定目录中查找特定类型的文件。-include $(DEPS)
# 包含所有生成的依赖文件，如果依赖文件不存在则跳过（-表示忽略错误）。all : $(OUTPUT)@echo "Success! Target ==> $(OUTPUT)"
# 定义默认目标all，生成最终的静态库，并打印成功信息。$(OUTPUT) : $(OBJS)$(AR) $(ARFLAGS) $@ $^
# 规则：生成静态库，将目标文件归档为静态库。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_OBJ) : %$(TYPE_SRC)$(CC) $(CFLAGS) -o $@ -c $(filter %$(TYPE_SRC), $^)
# 规则：编译源文件生成目标文件。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_DEP) : %$(TYPE_SRC)@echo "Creating $@ ..."@set -e; \$(CC) $(CFLAGS) -MM -E $(filter %$(TYPE_SRC), $^) | sed 's,\(.*\)\.o[ :]*,$(DIR_OUTPUT)/\1$(TYPE_OBJ) $@ : ,g' > $@
# 规则：生成依赖文件。通过gcc的-MM选项生成依赖信息，并使用sed命令调整格式，将生成的依赖信息重定向到依赖文件中。
  • module/makefile：
.PHONY : all
# 声明all为伪目标（PHONY），避免与同名文件冲突。DIR_BUILD := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/02/build
DIR_MODULE_INC := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/02/module/inc
DIR_COMMON_INC := /home/wx/uuxiang/makefile/20_22/02/common/inc
# 定义编译输出目录和公共头文件目录的路径。DIR_SRC := src
DIR_INC := inc
# 定义源文件目录和头文件目录的路径。TYPE_INC := .h
TYPE_SRC := .c
TYPE_OBJ := .o
TYPE_DEP := .dep
# 定义不同文件类型的扩展名，包括头文件（.h）、源文件（.c）、目标文件（.o）、依赖文件（.dep）。AR := ar
ARFLAGS := crs
# 定义生成静态库的工具和其使用的参数。CC := gcc
CFLAGS := -I$(DIR_INC) -I$(DIR_MODULE_INC) -I$(DIR_COMMON_INC)
# 定义编译器为gcc，CFLAGS包含了头文件搜索路径。ifeq ($(DEBUG),true)
CFLAGS += -g
endif
# 如果变量DEBUG为true，则添加-g选项用于生成调试信息。MODULE := $(realpath .)
MODULE := $(notdir $(MODULE))
DIR_OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(MODULE))
# 获取当前目录的绝对路径，将模块名设置为当前目录的名称，并定义模块的输出目录。OUTPUT := $(MODULE).a
OUTPUT := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(OUTPUT))
# 定义最终生成的静态库文件名，并设置输出路径。SRCS := $(wildcard $(DIR_SRC)/*$(TYPE_SRC))
OBJS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_OBJ))
OBJS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(OBJS))
DEPS := $(SRCS:$(TYPE_SRC)=$(TYPE_DEP))
DEPS := $(patsubst $(DIR_SRC)/%, $(DIR_OUTPUT)/%, $(DEPS))
# 查找源文件，生成目标文件和依赖文件列表，并将它们从源目录映射到输出目录。vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_INC)
vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_MODULE_INC)
vpath %$(TYPE_INC) $(DIR_COMMON_INC)
vpath %$(TYPE_SRC) $(DIR_SRC)
# 设置文件搜索路径，vpath用于在指定目录中查找特定类型的文件。-include $(DEPS)
# 包含所有生成的依赖文件，如果依赖文件不存在则跳过（-表示忽略错误）。all : $(OUTPUT)@echo "Success! Target ==> $(OUTPUT)"
# 定义默认目标all，生成最终的静态库，并打印成功信息。$(OUTPUT) : $(OBJS)$(AR) $(ARFLAGS) $@ $^
# 规则：生成静态库，将目标文件归档为静态库。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_OBJ) : %$(TYPE_SRC)$(CC) $(CFLAGS) -o $@ -c $(filter %$(TYPE_SRC), $^)
# 规则：编译源文件生成目标文件。$(DIR_OUTPUT)/%$(TYPE_DEP) : %$(TYPE_SRC)@echo "Creating $@ ..."@set -e; \$(CC) $(CFLAGS) -MM -E $(filter %$(TYPE_SRC), $^) | sed 's,\(.*\)\.o[ :]*,$(DIR_OUTPUT)/\1$(TYPE_OBJ) $@ : ,g' > $@
# 规则：生成依赖文件。通过gcc的-MM选项生成依赖信息，并使用sed命令调整格式，将生成的依赖信息重定向到依赖文件中。
  • makefile：
.PHONY : all compile link clean rebuild
# 声明伪目标，避免与同名文件冲突。这些伪目标包括all、compile、link、clean和rebuild。MODULES := common \module \main
# 定义模块列表，这些模块会被单独编译。MKDIR := mkdir
RM := rm -fr
# 定义用于创建目录和删除文件/目录的命令。CC := gcc
LFLAGS := 
# 定义C编译器为gcc，LFLAGS用于链接时的额外参数（当前为空）。DIR_PROJECT := $(realpath .)
DIR_BUILD := build
DIR_BUILD_SUB := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(MODULES))
MODULE_LIB := $(addsuffix .a, $(MODULES))
MODULE_LIB := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(MODULE_LIB))
# 定义项目的根目录，构建目录，以及各模块的构建子目录。
# MODULE_LIB用于存储各模块生成的静态库文件名，并加上构建目录前缀。APP := app.out
APP := $(addprefix $(DIR_BUILD)/, $(APP))
# 定义最终生成的应用程序文件名，并加上构建目录前缀。all : compile $(APP)@echo "Success! Target ==> $(APP)"
# 默认目标all，先编译模块，再生成最终的应用程序，并输出成功信息。compile : $(DIR_BUILD) $(DIR_BUILD_SUB)@echo "Begin to compile ..."@set -e; \for dir in $(MODULES); \do \cd $$dir && $(MAKE) all DEBUG:=$(DEBUG) && cd .. ; \done@echo "Compile Success!"
# 编译目标compile，首先创建必要的构建目录，然后遍历每个模块目录，执行`make all`命令来编译每个模块，并传递DEBUG变量。最后输出编译成功信息。link $(APP) : $(MODULE_LIB)@echo "Begin to link ..."$(CC) -o $(APP) -Xlinker "-(" $^ -Xlinker "-)" $(LFLAGS)@echo "Link Success!"
# 链接目标link，依赖于所有模块的静态库。使用gcc进行链接，生成最终的应用程序，并输出链接成功信息。
# `-Xlinker "-(" $^ -Xlinker "-)"` 是为了确保静态库按顺序链接，防止符号丢失。$(DIR_BUILD) $(DIR_BUILD_SUB) : $(MKDIR) $@
# 目标：创建构建目录和各模块的子目录。clean : @echo "Begin to clean ..."$(RM) $(DIR_BUILD)@echo "Clean Success!"
# 清理目标clean，删除整个构建目录，输出清理成功信息。rebuild : clean all
# 重建目标rebuild，先执行clean再执行all，即先清理再重新编译和链接。

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4. 优化

4.1 问题 1

  • 所有模块 makefile 中使用的编译路径均为写死的绝对路径，一旦项目文件夹移动，编译必将失败

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  • 解决方案：
    • 在工程 makefile 中获取项目的源码路径
    • 根据项目源码路径：
      拼接得到编译文件夹的路径（DIR_BUILD）
      拼接得到全局包含路径（DIR_COMMON_INC）
    • 通过定义命令行变量将路径传递给模块 makefile
  • 这样使得工程文件夹随意移动

4.2 问题 2

  • 所有模块 makefile 的内容完全相同（复制粘贴）
  • 当模块 makefile 需要移动时，将涉及多处相同的改动
  • 解决方案：
    • 将模块 makefile 拆分为两个模板文件
      mkd-cfg.mk：定义可能改变的变量
      mod-rule.mk：定义相对稳定的变量和规则
    • 默认情况下，模块 makefile 复用模板文件实现功能（include）
      模块makefile怎么知道模板文件的具体位置？

4.3 关键问题

  • 模块 makefile 如何知道模板文件的具体位置？
  • 解决方案：通过命令行变量进行模板文件位置的传递

4.4 工程 makefile 的重构

  • 拆分命令变量，项目变量，以及其它变量和规则到不同文件
    • cmd-cfg.mk：定义命令相关的变量
    • pro-cfg.mk：定义项目变量以及编译路径变量等
    • pro-rule.mk：定义其它变量和规则
    • 最后的工程 makefile 通过包含拆分的文件构成（include）

20-22 - 打造专业的编译环境/20_22/03


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