【编译、链接与构建详解】Makefile 与 CMakeLists 的作用

【编译、链接与构建详解】Makefile 与 CMakeLists 的作用

• 前言
• 源代码（.c、.cpp）
• 编译
• • 编译的本质
  • 编辑的结果
  • [编译器（GCC、G++、NVCC 等）](#编译器（GCC、G++、NVCC 等）)
• 目标文件（`.o`）
• • [什么是 `.o` 目标文件](#什么是 .o 目标文件)
  • [为什么单个 `.o` 目标文件不能直接执行？](#为什么单个 .o 目标文件不能直接执行？)
• 链接
• • 链接的本质
  • [如果需要链接的 `.o` 文件很多且杂乱怎么办？](#如果需要链接的 .o 文件很多且杂乱怎么办？)
• 库文件（.a、.so）
• • 静态库（`.a`）
  • 动态库（`.so`）
• 构建
• • 构建的步骤
  • 自动化构建
• 构建工具与构建规则（Make、Makefile）
• 构建配置工具与构建配置文件（CMake、CMakeLists）

前言

在大型项目中，通常会使用 C 或 C++ 语言进行开发，而编译、链接、构建等概念，以及相关工具如 GCC、G++、NVCC、CMake、Make、Makefile 等，是每个开发者都无法绕过的重要内容。这些概念虽然至关重要，但往往容易混淆。因此，本文将简明扼要地介绍这些概念，帮助读者更深入地理解编译、链接与构建过程。

源代码（.c、.cpp）

我们编写的代码通常以 .c 或 .cpp 文件的形式存在，这些源代码文件是人类可读的，但计算机无法直接理解和执行。

计算机只能理解二进制的机器语言，因此，需要通过编译将源代码转换为机器可以识别的格式，这就涉及到编译的相关知识。

编译

编译的本质

程序员编写的 .c 和 .cpp 源代码是人类可读的，但计算机无法直接理解。为了让计算机执行这些代码，需要将其转换为计算机能够识别的二进制语言，这个过程就是编译的本质。

编辑的结果

编译的结果是目标文件 （.o 文件），它包含了经过翻译但尚未完整链接的二进制代码（机器可以理解的语言）。理解目标文件的作用，有助于更深入地掌握编译过程。

编译器（GCC、G++、NVCC 等）

编译器是将源代码翻译为计算机能够理解的目标文件的"翻译官 "。它负责将人类编写的 .c、.cpp、.cu 等源代码转化为机器可执行的二进制代码。常见的编译器包括：

• GCC （GNU Compiler Collection）：主要用于编译 C 语言的源代码（.c 文件）。
• G++ ：是 GCC 的 C++ 编译器，用于编译 C++ 语言的源代码（.cpp 文件）。
• NVCC ：NVIDIA CUDA 编译器，用于编译并行计算的 CUDA 程序（.cu 文件）。

这些编译器各自对应不同类型的源代码文件，执行代码翻译的任务。

目标文件（.o）

什么是 .o 目标文件

.c 和 .cpp 源代码经过编译后，会生成 .o 目标文件。目标文件是计算机可以理解的二进制代码，意味着源代码已经被翻译成机器语言，程序的执行又向前迈进了一步。

为什么单个 .o 目标文件不能直接执行？

目标文件（.o）本身并不能直接运行 ，因为它只是编译后的中间产物 ，尚未构成完整的可执行程序。通常，一个程序由多个 .c 或 .cpp 文件组成，而 main 函数往往位于其中的一个文件中，负责调用其他模块的函数。

可以将程序比作一辆汽车：main 函数相当于车架，而各个 .o 文件代表轮子、方向盘、控制台等组件。单独的 .o 文件只是一个零件，只有经过链接，将所有模块正确拼接在一起，才能形成最终可运行的程序。

要将这些独立的目标文件整合成一个可执行程序，就涉及到链接的过程。

链接

链接的本质

当所有 .c 或 .cpp 代码经过编译后，都会生成 .o 目标文件。这些 .o 文件虽然已经被翻译成机器可以识别的语言，但它们彼此独立，尚无法直接运行。

链接就是组装：

可以将 .o 文件比作汽车的零部件：单独的目标文件就像轮子、方向盘、发动机等组件，只有经过链接 ，将这些部件正确组装起来，才能形成一个完整的可执行程序（拼成一个可以跑的汽车）。链接的本质 ，就是将多个 .o 目标文件整合在一起，最终拼接成可以运行的可执行文件。

通常，在所有被链接的 .o 目标文件中，只有一个包含 main 主函数，它相当于汽车的车架 ，而其他 .o 文件则封装了各种功能模块（如发动机、刹车系统、座椅等）。链接的过程，就是将这个带有 main 入口的 *"车架"与其他 "零部件"*拼接在一起，使其成为一个完整可运行的程序。

如果需要链接的 .o 文件很多且杂乱怎么办？

在大型项目中，编译过程中会生成大量 .o 目标文件。如果直接链接所有 .o 文件，不仅会导致项目结构混乱，还会增加管理和分发的难度。

为了解决这个问题，通常会将多个 .o 文件打包成库文件 ，即 .so（动态/共享库） 和 .a（静态库）。这些库文件可以帮助我们更高效地组织、管理和复用代码，使项目结构更加清晰，链接过程也更加简洁。

库文件（.a、.so）

为了更方便地管理大量的 .o 目标文件，引入了库文件 的概念。库文件可以看作是多个 .o 文件的集合，用于提高代码的组织性和复用性。然而，库文件分为两种类型：

• .a（静态库）
• .so（动态库/共享库）

二者虽然都是 .o 文件的集合，但在使用方式上存在明显区别。

静态库（.a）

静态库（.a）本质上是多个 .o 目标文件的打包集合，在编译时会被直接链接到可执行文件中。这种方式可以提高代码复用性，并减少每次编译时重复编写相同代码的工作量。

然而，静态库是固定的 ，如果库中的 .o 文件对应的源代码发生修改，就需要重新编译修改的部分并更新静态库文件，然后再重新链接生成新的可执行文件。这意味着每次库文件更新后，所有依赖该库的程序都必须重新编译和链接。

动态库（.so）

动态库（.so，共享库）与静态库类似，也是多个 .o 目标文件的集合，但它不会在编译时直接嵌入可执行文件 ，而是在程序运行时被加载。这种方式减少了可执行文件的体积，并允许多个程序共享同一个库，从而提高资源利用率。

此外，动态库是灵活的 ，如果库中的 .o 文件对应的源代码发生修改，只需重新编译动态库文件，无需重新编译和链接所有依赖它的程序。程序在运行时会自动加载最新版本的动态库，因此更新更加便捷。

构建

构建是将源代码转化为可执行文件的完整过程，通常包括以下几个主要步骤：

构建的步骤

1. 清理

   在进行新一轮构建之前，需要先清理掉之前构建的产物，比如删除旧的目标文件 .o、可执行文件和库文件等。这一步确保构建环境干净，避免旧文件影响新一轮构建。

2. 管理依赖

   项目可能依赖外部库或资源，这时候需要下载、安装并管理这些依赖，确保它们的版本正确且可用。

3. 编译

   这一阶段将源代码文件（.c 或 .cpp）编译成目标文件（.o）。编译过程将人类可读的代码转化为机器可以理解的中间产物。

4. 链接

   链接过程将多个目标文件（.o 文件）和库文件（.a 或 .so 文件）整合、拼接成一个完整的可执行文件，最终生成可以运行的程序。

5. 其他

   在某些构建过程中，还可能涉及其他步骤，如单元测试、部署、打包等，这些步骤根据项目需求可能会有所不同。

自动化构建

如上所述，构建过程包含多个环节，涉及到源代码的编译、目标文件的生成、依赖的管理等操作。为了实现高效且自动化的构建，通常会使用构建工具来控制这一过程。

最常见的构建工具是 Make ，它通过 Makefile 文件定义的构建规则和依赖关系，从而自动化管理和执行构建步骤。接下来，我们将介绍 Make 工具及其 Makefile 构建规则的相关内容。

构建工具与构建规则（Make、Makefile）

Make 是一种常用的构建工具，它根据 Makefile 中定义的 构建规则 来自动化构建过程。Makefile 中指定了构建目标、依赖关系、编译器选项、可执行文件名等具体的构建命令。

然而，Make 的一些局限性也较为明显：它的语法较为底层，可读性较差，并且对多平台兼容性较弱（例如，它通常只适用于 UNIX 系统，而在其他平台的构建可能会遇到困难）。

为了克服这些问题，CMake 应运而生。CMake 是一个更高级的构建配置工具，它通过平台无关的配置文件生成适用于不同平台的构建文件（例如 Makefile 或 Visual Studio 工程文件），从而解决了多平台兼容性和可读性差的问题。

构建配置工具与构建配置文件（CMake、CMakeLists）

正如前文所述，CMake 是一个高级的构建配置工具，它通过读取 CMakeLists.txt 文件中定义的构建配置来生成适应不同平台的构建规则。CMake 会根据 CMakeLists.txt 中的内容，自动生成对应的构建文件（例如 Makefile 或 Visual Studio 工程文件），然后调用相应的构建工具（如 make）来执行构建过程。

相较于 Make ，CMake 提供了更高层次的抽象，具有更强的实用性和更好的跨平台兼容性。因此，CMake 在大型项目中得到了更广泛的应用，尤其是在需要支持多平台构建时，CMake 和 CMakeLists.txt 文件成为了主流的选择。