[开发工具]ZYNQ - 嵌入式Linux开发 -05- Linux C编程和Makefile

写在前面

本文主要介绍了关于Linux C编程的相关内容以及介绍了Makefile的简单使用教程。

VIM编辑器

如果要在终端模式下进行文本编辑或者修改文件就可以使用 VI/VIM 编辑器，Ubuntu 自带了 VI 编辑器，但是 VI 编辑器使用不方便，比如不能使用键盘上的上下左右键调整光标位置。

VIM 编辑器是 VI 编辑器升级版本， VI/VIM 编辑器都是一种基于指令式的编辑器，不需要鼠标，也没有菜单，仅仅使用键盘来完成所有的编辑工作。
需要先安装 VIM 编辑器，命令如下：

sudo apt-get install vim  

VIM 默认是以只读模式打开的文档，因此我们要切换到输入模式，切换到输入模式的命令如下：

切换输入指令：

移动光标指令：

屏幕翻滚指令：

复制、删除和粘贴指令：

保存文档的命令是在底行模式中，要先进入到指令模式，进入底行模式的方式是先进入指令模式下，然后在指令模式下输入“：”进入底行模式， 常用的命令如下：

GCC 编译器

gcc 命令

gcc 命令格式如下：

gcc [选项] [文件名字]

编译流程

GCC 编译器的编译流程是：预处理、汇编、编译和链接。预处理就是对程序中的宏定义等相关的内容先进行前期的处理。汇编是先将 C 文件转换为汇编文件。当 C 文件转换为汇编文件以后就是文件编译了，编译过程就是将 C 源文件编译成.o 结尾的目标文件。编译生成的.o 文件不能直接执行，而是需要最后的链接，如果你的工程有很多个 c 源文件的话最终就会有很多.o 文件，将这些.o 文件链接在一起形成完整的一个可执行文件。

编程第一课：hello world！

编写代码包括两部分：代码编写和编译。

创建一个test.c编写代码：

 #include "stdio.h"
 int main(){    
 	printf("hello_Word!\n");
 }

然后进行编译

gcc test.c -o test

输入ls命令进行查看，此时已经生成了test可执行文件。

此时进行运行可执行文件即可打印出编程实现的结果：

Makefile

使用 GCC 编译器在 Linux 进行 C 语言编译，通过在终端执行 gcc 命令来完成 C
文件的编译，在使用GCC进行编程的时候，实际上的编程流程是先把c文件进行编译，生成.o文件，然后将所有编译出来的.o文件进行重新编译执行成可执行文件。

在进行编译的过程中，可能会碰到修改过后不知道哪个的文件被修改了，或者希望自己只把个别文件进行编译等情况，上述情况使用GCC编译器也可以进行解决，但是，GCC编译默认情况下是对所有的文件进行编译，一旦工程量变大这将花费大量的时间，通样，GCC也可以对指定文件进行编译，但是操作过于繁琐，大部分都是重复性的工作，所以就有了Makefile这样的工具解决编译中的重复操作的问题，提高开发的效率。

示例工程

编写一个实验makefile的示例工程用于学习makefile的使用。

main.c

#include <stdio.h>
#include "test.h"
#include "test1.h"
void main(){
    test1();
    test2();
}

test.h

#ifndef _TEST_H_
#define _TEST_H_
#include <stdio.h>
void test1();

#endif // !_TEST_H_

test.c

#include "test.h"
void test1(){
    printf("this is test1\n");
}

test1.h

#ifndef _TEST1_H_
#define _TEST1_H_
#include <stdio.h>
void test2();
#endif // !_TEST_H_

test1.c

#include "test1.h"
void test2(){
    printf("this is test2\n");
}

Makefile格式

Makefile 里面是由一系列的规则组成的，这些规则格式如下：

目标…... : 依赖文件集合……
	命令 1
	命令 2
	……  

比如：

main : main.o test.o test1.o
	gcc -o main main.o test.o test1.o

这条规则的目标是 main， main.o,test.o 和 test1.o 是生成 main 的依赖文件，如果要更新目标 main，就必须要先更新它的所有依赖文件，如果依赖文件中的任何一个有更新，那么目标也必须更新，“更新”就是执行一遍规则中的命令列表。

为上述demo工程创建一个Makefile文件，在终端中键入vim Makefile创建Makefile文件，然后在Makefile文件中键入以下内容：

main:main.o test.o test1.o
	gcc -o main main.o test.o test1.o
main.o:main.c
	gcc -c main.c
test.o:test.c
	gcc -c test.c
test1.o:test1.c
	gcc -c test1.c

clean:
	rm *.o
	rm main

在Makefile文件中，第一条规则会成为默认的目标，默认的目标更新的工作，也即Makefile文件执行就为了完成整个更新工作。在首次编译时，main文件未存在，所以第一条规则会正常执行，同时该规则依赖于main.o test.o test1.o三个.o文件，所以要进行更新三个.o文件，然后Makefile检索到更新.o文件的规则，gcc -c *.c，也即不链接编译.c文件，生成.o。最后一个规则目标是
clean，它没有依赖文件，因此会默认为依赖文件都是最新的，所以其对应的命令不会执行，当我们想要执行clean 的话可以直接使用命令“make clean”，执行以后就会删除当前目录下所有的.o 文件以及 main，因此，clean 的功能就是完成工程的清理。

总结一下 Make 的执行过程：

1. make 命令会在当前目录下查找以 Makefile(makefile 其实也可以)命名的文件。
2. 当找到 Makefile 文件以后就会按照 Makefile 中定义的规则去编译生成最终的目标文件。
3. 当发现目标文件不存在，或者目标所依赖的文件比目标文件新(也就是最后修改时间比目标文件晚)的话就会执行后面的命令来更新目标。

Makefile变量

跟 C 语言一样 Makefile 也支持变量，对于重复输入的内容，可以进行定义变量进行简化Makefile的编写。和C语言不太一样的是，Makefile 中的变量都是
字符串。所以简化上面的Makefile文件后为下所示：

obj = main.o test.o test1.o
main: $(obj)
	gcc -o main $(obj)
#main:main.o test.o test1.o
#	gcc -o main main.o test.o test1.o
main.o:main.c
	gcc -c main.c
test.o:test.c
	gcc -c test.c
test1.o:test1.c
	gcc -c test1.c

clean:
	rm *.o
	rm main

赋值符 “=”

使用“=”在给变量的赋值的时候，不一定要用已经定义好的值，也可以使用后面定义的值。可以将变量的真实值推到后面去定义,也就是变量的真实值取决于它所引用的变量的最后一次有效值。

赋值符 “:=”

赋值符“:=”和“=”类似，但是不同的是，“:=”不会使用后面定义的变量，只能使用前面已经定义好的，这就是“=”和“:=”两个的区别。

赋值符 “?=”

如果变量前面没有被赋值，那么此变量就是赋值符右边的值，如果前面已经赋过值了，那么就使用前面赋的值。

变量追加 “+=”
Makefile 中的变量是字符串，有时候我们需要给前面已经定义好的变量添加一些字符串进去，此时就要使用到符号“+=”。

模式规则与自动化变量

上述 Makefile 中第 3~8 行是将对应的.c 源文件编译为.o 文件，每一个 C 文件都要写一个对应的规则，如果工程中 C 文件很多，这样操作会增加冗余工作量。所以可以使用 Makefile 中的模式规则，通过模式规则就可以使用一条规则来将所有的.c 文件编译为对应的.o 文件。

模式规则中，至少在规则的目标定定义中要包涵“%”，否则就是一般规则，目标中的“%”表示对文件名的匹配，“%”表示长度任意的非空字符串，比如“%.c”就是所有的以.c 结尾的文件，类似与通配符，a.%.c 就表示以 a.开头，以.c 结束的所有文件。

当“%”出现在目标中的时候，目标中“%”所代表的值决定了依赖中的“%”值，使用方法如下：

%.o : %.c
	命令  

对于规则中把c文件编译为o文件已经简化，为了简化命令操作，同时引入自动化变量的内容。目标和依赖都是一系列的文件，每一次对模式规则进行解析的时候都会是不同的目标和依赖文件，而命令只有一行。自动化变量可以把命令进行通用化处理。

自动化变量 就是这种变量会把模式中所定义的一系列的文件自动的挨个取
出，直至所有的符合模式的文件都取完，自动化变量只应该出现在规则的命令中。

使用自动化变量来完成Makefile，最终代码如下所示：

obj = main.o test.o test1.o
main: $(obj)
	gcc -o main $(obj)
%.o : %.c
	gcc -c $<

clean:
	rm *.o
	rm main

Makefile 伪目标

Makefile 有一种特殊的目标——伪目标，一般的目标名都是要生成的文件，而伪目标不代表真正的目标名，在执行 make 命令的时候通过指定这个伪目标来执行其所在规则的定义的命令。
使用伪目标的主要是为了避免 Makefile 中定义的只执行命令的目标和工作目录下的实际文件出现名字冲突，有时候我们需要编写一个规则用来执行一些命令，但是这个规则不是用来创建文件的。比如在该文件下创建了一个clean文件，而在Makefile中又创建了一个clean的命令，此时执行make clean时，无法进行正常执行Makefile中的清除指令。为了解决这个“共存”问题，可以对clean进行声明为伪目标。

.PHONY : clean

Makefile 条件判断

Makefile 也支持条件判断，语法有两种如下：

<条件关键字>
	<条件为真时执行的语句>
endif

以及：

<条件关键字>
	<条件为真时执行的语句>
else
	<条件为假时执行的语句>
endif

其中条件关键字有 4 个： ifeq、 ifneq、 ifdef 和 ifndef，这四个关键字其实分为两对、 ifeq 与 ifneq、 ifdef与 ifndef，先来看一下 ifeq 和 ifneq， ifeq 用来判断是否相等， ifneq 就是判断是否不相等， ifeq 用法如下：

ifeq (<参数 1>, <参数 2>)
ifeq ‘<参数 1 >’,‘ <参数 2>’
ifeq “<参数 1>”, “<参数 2>”
ifeq “<参数 1>”, ‘<参数 2>’
ifeq ‘<参数 1>’, “<参数 2>”

上述用法中都是用来比较“参数 1”和“参数 2”是否相同，如果相同则为真，“参数 1”和“参数 2”可以为函数返回值，ifneq 的用法类似。

Makefile 函数

Makefile 支持函数，不支持我们自定义函数，只能使用定义好的函数。函数的用法如下：

$(函数名 参数集合)   or   ${函数名 参数集合}  

调用函数和调用普通变量一样，使用符号“$”来标识。参数集合是函数的多个参数，参数之间以逗号“,”隔开，函数名和参数之间以“空格”分隔开，函数的调用以“$”开头。

函数 subst
函数 subst 用来完成字符串替换，调用形式如下：

$(subst <from>,<to>,<text>)

此函数的功能是将字符串<text>中的<from>内容替换为<to>，函数返回被替换以后的字符串。
函数 patsubst

函数 patsubst 用来完成模式字符串替换，使用方法如下：

$(patsubst <pattern>,<replacement>,<text>)

此函数查找字符串<text>中的单词是否符合模式<pattern>，如果匹配就用<replacement>来替换掉，<pattern>可以使用包括通配符“ %”，表示任意长度的字符串，函数返回值就是替换后的字符串。如果<replacement>中也包涵“%”，那么<replacement>中的“%”将是<pattern>中的那个“%”所代表的字符串。

比如：

$(patsubst %.c,%.o,a.c b.c c.c)

将字符串“a.c b.c c.c”中的所有符合“%.c”的字符串，替换为“%.o”，替换完成以后的字符串为“a.o
b.o c.o”。

函数 dir
函数 dir 用来获取目录，使用方法如下：

$(dir <names…>)

此函数用来从文件名序列<names>中提取出目录部分，返回值是文件名序列<names>的目录部分。

函数 notdir
函数 notdir 看名字就是知道去除文件中的目录部分，也就是提取文件名，用法如下：

$(notdir <names…>)

此函数用与从文件名序列<names>中提取出文件名非目录部分。

函数 foreach
foreach 函数用来完成循环，用法如下：

$(foreach <var>, <list>,<text>)

此函数的意思就是把参数<list>中的单词逐一取出来放到参数<var>中，然后再执行<text>所包含的表达
式。每次<text>都会返回一个字符串，循环的过程中， <text>中所包含的每个字符串会以空格隔开，最后当整个循环结束时， <text>所返回的每个字符串所组成的整个字符串将会是函数 foreach 函数的返回值。

函数 wildcard
通配符“%”只能用在规则中，只有在规则中它才会展开，如果在变量定义和函数使用时，通配符不会自动展开，这个时候就要用到函数 wildcard，使用方法如下：

$(wildcard PATTERN…)  

比如：

$(wildcard *.c)

上面的代码是用来获取当前目录下所有的.c 文件，类似“%”。

References

1. 正点原子开发视频
2. 正点原子ZYNQ之linux开发教程
3. 跟我一起写 Makefile