绝世秘籍之GNU构建系统与Autotool概念分析

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为了简化可移植构建的难度，在早期有一套autotools工具帮助程序员构建软件。我们熟知的configure->make->make install三部曲，大多都是基于autotools来构建的。autotools是GNU程序的标准构建系统，所以其实我们经常在使用三部曲。有些程序虽然也是这三部曲，但却不是用autotools实现的，比如nginx的源码就是作者自己编写的构建程序。

用户视角

用户通过configure->make->make install基于源码安装软件。然而大部分用户可能并不知道这个过程究竟做了些什么。

configure脚本是由软件开发者维护并发布给用户使用的shell脚本。这个脚本的作用是检测系统环境，最终目的是生成Makefile和config.h。

make通过读取Makefile文件，开始构建软件。而make install可以将软件安装到需要安装的位置。

如上图，开发者在分发源码包时，除了源代码(.c .h…)，还有许多用以支撑软件构建的文件和工具，其中最重要的文件就是Makefile.in和config.h.in。configure脚本执行成功后，将为每一个*.in文件处理成对应的非*.in文件。

大部分情况只生成Makefile和config.h，因为Makefile用于make程序识别并构建软件，而config.h中定义的宏，有助于软件通过预编译来改变自身的代码，以适应目标平台某些特殊性。有些软件在configure阶段，还可以生成其他文件，这完全取决于如软件本身。

configure

当运行configure时，将看到类似如下的系统检查，这些检查的多少取决于软件本身的需要，也就是由软件开发者来定义和编写的。

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
...

一般来说，configure主要检查当前目标平台的程序、库、头文件、函数等的兼容性。这些检查结果将作用于config.h和Makefile文件的生成。从而影响最终的编译。

用户也可以通过给configure配置参数来定制软件需要包含或不需要包含的组件、安装路径等行为。这些参数分为5组，可以通过执行./configure --help来查看，软件提供哪些配置参数：

*安装路径相关配置。最常见的是--prefix。
*程序名配置。例如--program-suffix可用于为生成的程序添加后缀。
*跨平台编译。不太常用。
*动态库静态库选项。用于控制是否生成某种类型的库文件。
程序组件选项。用于配置程序是否将某种功能编译到程序中，一般形如--with-xxx。这可能是最常用的配置，而且由软件开发者来定义。

(*表示这是几乎所有软件都支持的配置，因为这些配置是autotool生成的configure脚本默认支持的。)

configure在执行过程中，除了生成Makefile外，还会生成的文件包括但不限于：

config.log 日志文件
config.cache 缓存，以提高下一次configure的速度，需通过-C来指定才会生成
config.status 实际调用编译工具构建软件的shell脚本

如果软件通过libtool构建，还会生成libtool脚本。关于libtool脚本如何生成，请看开发者视角。

configure经常会中途出错，这一般是由于当前平台不具有构建该软件所必需的依赖(库、函数、头文件、程序…)。此时，不要慌张，仔细查看输出，解决这些依赖。

开发者视角

开发者除了编写软件本身的代码外，还需要负责生成构建软件所需要文件和工具。当我接触到autotools后，我发现，虽然有工具的帮助，但这件事情依旧十分复杂。

对于C或C++程序员，在早期，构建跨平台的应用程序是相当繁琐的一件事情，而且对于经验不足的程序员而言，甚至难度巨大。因为构建可移植的程序的必要前提是对各个平台足够了解，这往往要花上相当长的时间去积累。

Unix系统的分支复杂度很高，不同的商用版或开源版或多或少都有差异。这些差异主要体现在：系统组件、系统调用。我们主要将Unix分为如下几个大类：IBM-AIX HP-UX Apple-DARWIN Solaris Linux FreeBSD。Unix分支大全

因此，对于开发者而言，要么自己编写构建用的脚本，这往往需要极其扎实的shell能力和平台熟悉度。另一个选择就是部分依赖工具。autoconf和automake就是这样的工具。

autoreconf

为了生成configure脚本和Makefile.in等文件，开发者需要创建并维护一个configure.ac文件(在早期，通常叫configure.in文件，虽然没有区别，但强烈建议使用.ac，因为.in文件往往意味着被configure脚本识别为模板文件并生成直接参与最终构建的文件，configure.in在命名上有歧义),以及一系列的Makefile.am。autoreconf程序能够自动按照合理的顺序调用autoconf automake aclocal等程序。

configure.ac

configure.ac用于生成configure脚本。autoconf工具用来完成这一步。下面是一个configure.ac的例子：

AC_PREREQ([2.63])
AC_INIT([st], [1.0], [zhoupingtkbjb@163.com])
AC_CONFIG_SRCDIR([src/main.c])
AC_CONFIG_HEADERS([src/config.h])
AM_INIT_AUTOMAKE([foreign])
# Checks for programs.
AC_PROG_CC
AC_PROG_LIBTOOL
# Checks for libraries.
# Checks for header files.
# Checks for typedefs, structures, and compiler characteristics.
# Checks for library functions.
AC_CONFIG_FILES([Makefile
                 src/Makefile
                 src/a/Makefile
                 src/b/Makefile])
AC_OUTPUT

其中以AC_开头的类似函数调用一样的代码，实际是一些被称为“宏”的调用。这里的宏与C中的宏概念类似，会被替换展开。m4是一个经典的宏工具，autoconf正是构建在m4之上，可以理解为autoconf预先实现了大量的，用于检测系统可移植性的宏，这些宏在展开后就是大量的shell脚本。所以编写configure.ac需要对这些宏熟练掌握，并且合理调用。有时，甚至可以自己实现自己的宏。

autoscan和configure.scan

可以通过调用autoscan命令得到一个初始化的configure.scan文件，然后重命名为configure.ac后，在此基础上编辑configure.ac。autoscan会扫描源码，并生成一些通用的宏调用、输入的声明以及输出的声明。尽管autoscan十分方便，但是没人能够在构建之前，就把代码完全写好，因此autoscan通常用于初始化configure.ac。

autoheader和config.h

autoheader命令扫描configure.ac中的内容，并确定需要如何生成config.h.in。每当configure.ac有所变化，都可以通过再次执行autoheader更新config.h.in。在configure.ac通过AC_CONFIG_HEADERS([config.h])告诉autoheader应当生成config.h.in的路径。在实际的编译阶段，生成的编译命令会加上-DHAVE_CONFIG_H定义宏，于是在代码中，我们可以通过下面代码安全的引用config.h。

/bin/sh ../../libtool --tag=CC   --mode=compile gcc -DHAVE_CONFIG_H ...
#ifdef HAVE_CONFIG_H
#include <config.h>
#endif

config.h包含了大量的宏定义，其中包括软件包的名字等信息，程序可以直接使用这些宏;更重要的是，程序可以根据其中的对目标平台的可移植性相关的宏，通过条件编译，动态的调整编译行为。

automake和Makfile.am

手工编写Makefile是一件相当烦琐的事情，而且，如果项目复杂的话，编写难度将越来越大。因而，automake工具应运而生。我们可以编写像下面这样的Makefile.am文件，并依靠automake来生成Makefile.in：

SUBDIRS = a b
bin_PROGRAMS    = st
st_SOURCES      = main.c
st_LDADD        = $(top_builddir)/src/a/liba.la $(top_builddir)/src/b/libb.la

这里通过SUBDIRS声明了两个子目录，子目录的中的构建需要靠a/Makefile.am和b/Makefile.am来进行，这样多目录组织起来就方便多了。

bin_PROGRAMS声明一个可执行文件目标，st_SOURCES指定这个目标所依赖的源代码文件。另外，st_LDADD声明了可执行文件在连接时，需要依赖的Libtool库文件。

通过这个Makefile.am文件生成的Makefile.in文件相当大，不便贴出，但是可以想象，Makefile.in要比我们手工编写的Makefile文件复杂的多。

automake的出现晚于autoconf，所以automake是作为autoconf的扩展来实现的。通过在configure.ac中声明AM_INIT_AUTOMAKE告诉autoconf需要配置和调用automake。

aclocal

上面提到，configure.ac实际是依靠宏展开来得到configure的。因此，能否成功生成取决于，宏定义能否找到。autoconf会从自身安装路径下来寻找事先定义好了宏。然而对于像automake、libtool和gettext等第三方扩展宏，甚至是开发者自行编写的宏就一无所知了。于是，存在这个工具aclocal，将在configure.ac同一目录下生成aclocal.m4，在扫描configure.ac的过程中，将第三方扩展和开发者自己编写的宏定义复制进去。这样，autoconf在遇到不认识的宏时，就会从aclocal.m4中查找。

下面这张图更为详细的展现了整个工具链是如何互相配合的。

libtool

libtool试图解决不同平台下，库文件的差异。libtool实际是一个shell脚本，实际工作过程中，调用了目标平台的cc编译器和链接器，以及给予合适的命令行参数。libtool可以单独使用，这里只介绍与autotools集成使用相关的内容。

automake支持libtool构建声明。在Makefile.am中，普通的库文件目标写作xxx_LIBRARIES：

noinst_LIBRARIES = liba.a
liba_SOURCES = ao1.c ao2.c ao3.c

而对于一个libtool目标，写作xxx_LTLIBRARIES，并以.la作为后缀声明库文件。

noinst_LTLIBRARIES = liba.la
liba_la_SOURCES = ao1.c ao2.c ao3.c

在configure.ac中需要声明LT_INIT：

...
AM_INIT_AUTOMAKE([foreign])
LT_INIT
...

有时，如果需要用到libtool中的某些宏，则推荐将这些宏copy到项目中。首先，通过AC_CONFIG_MACRO_DIR([m4])指定使用m4目录存放第三方宏;然后在最外层的Makefile.am中加入ACLOCAL_AMFLAGS = -I m4。

all-in-one

上面讨论了很多关于autoreconf的细节。实际上，如今我们可以直接调用autoreconf --install来自动调用上面提到的所有子命令。这里--install参数试图将辅助的脚本和宏copy到当前项目目录中，下面是执行时的输出：

autoreconf: Entering directory `.'
autoreconf: configure.ac: not using Gettext
autoreconf: running: aclocal
autoreconf: configure.ac: tracing
autoreconf: running: libtoolize --copy
libtoolize: putting auxiliary files in `.'.
libtoolize: copying file `./ltmain.sh'
libtoolize: Consider adding `AC_CONFIG_MACRO_DIR([m4])' to configure.ac and
libtoolize: rerunning libtoolize, to keep the correct libtool macros in-tree.
libtoolize: Consider adding `-I m4' to ACLOCAL_AMFLAGS in Makefile.am.
autoreconf: running: /usr/bin/autoconf
autoreconf: running: /usr/bin/autoheader
autoreconf: running: automake --add-missing --copy --no-force
configure.ac:10: installing `./config.guess'
configure.ac:10: installing `./config.sub'
configure.ac:9: installing `./install-sh'
configure.ac:9: installing `./missing'
src/Makefile.am: installing `./depcomp'
autoreconf: Leaving directory `.'

当我们以--install参数运行时，libtoolize --copy被调用，这将使得ltmain.sh被copy进来;接下来分别执行autoconf和autoheader;automake的参数为--add-missing --copy --no-force，这将使得几个辅助脚本和文件被安装到目录下。

这些辅助文件默认安装在configure.ac同一个目录下，如果你希望用另一个目录来存放他们，可以配置AC_CONFIG_AUX_DIR，例如AC_CONFIG_AUX_DIR([build-aux])将使用build-aux目录来存放辅助文件。

如果不使用--install参数，辅助文件要么不copy，要么以软链的形式创建。推荐使用--install，因为这样，其他软件维护可以避免由于构建工具版本不一致造成问题。

辅助文件

一个依靠GNU构建系统开发的软件除了源码之外，还有很多辅助的文件，有些是脚本，有些是文本文件。下面将逐一解释这些文件：

aclocal.m4：上面提到了，这个宏定义文件里面包含了第三方的宏定义，用于autoconf展开configure.ac
NEWS README AUTHORS ChangeLog：这些文件是GNU软件的标配，不过在项目中不一定需要加入。如果项目中没有这些文件，每次autoreconf会提示缺少文件，不过这并不影响。如果不想看到这些错误提示，可以用AM_INIT_AUTOMAKE([foreign])来配置automake。foreign参数就是告诉automake不要这么较真:)
config.guess config.sub：由automake产生，两个用于目标平台检测的脚本
depcomp install-sh：由automake产生，用于完成编译和安装的脚本
missing：由automake产生
ltmain.sh：有libtoolize产生，该脚本用于在configure阶段配置生成可运行于目标平台的libtool脚本
ylwrap：由automake产生，如果检测构建需要使用lex和yacc，那么会产生这个包装脚本
autogen.sh：在早期，autoreconf并不存在，软件开发者往往需要自己编写脚本，按照顺序调用autoconf autoheader automake等工具程序。这个文件就是这样的脚本。起这么个名字可能是习惯性的

总结

本文总概念上阐述了autotool系列工具是如何工作的。相比如今现成的IDE，GNU构建系统其实是非常难用的，学习成本比较高。