回答。

質問の背景

グローバル変数は、C言語においてプログラムのすべての関数からアクセス可能なデータを保存する手段として、初めから存在しました。これにより、関数の引数を通じて値を明示的に渡すことなく、異なるコード部分間で情報を交換することができます。これらの変数は、別のメモリ領域に保存され、プログラムのライフサイクル全体にわたって存在します。

問題

グローバル変数の過剰かつ制御されていない使用は、コードの保守が困難になる原因となり、バグの発見が難しくなり、名前の衝突のリスクを高めます。大規模なプロジェクトでは、グローバルにアクセス可能なデータがどこで変更されているかを理解することが難しく、デバッグが困難になります。さらに、異なるファイル（モジュール）でのグローバル変数の不適切な宣言は、リンクエラーを引き起こし、データの重複を招く可能性があります。

解決策

最適なプラクティスは、1つの.cファイルでグローバル変数を明示的に宣言し、そのプロトタイプをexternキーワードを使ってヘッダーファイルに移動することです。これにより、単一の保存場所が得られ、コンパイラは重複を防ぎます。グローバル変数の最小化のためには、ファイル内のスコープを持つ静的変数を使用します。過剰なグローバル状態の使用は、関数間で渡されるデータ構造に置き換えます。

コード例:

// file.h
#ifndef FILE_H
#define FILE_H
extern int global_counter;
#endif

// file.c
#include "file.h"
int global_counter = 0;

// main.c
#include "file.h"
#include <stdio.h>
int main() {
    global_counter++;
    printf("%d\n", global_counter);
    return 0;
}

主な特徴:

グローバル変数のスコープは、定義された地点からプログラム全体です。
他のファイルでグローバル変数にアクセスするにはexternを使用します。
グローバル変数の数は最小限に抑えることで、モジュール性とコードの可読性を高めるべきです。

トリッキーな質問。

グローバル変数を静的に宣言することはできますか？その場合、通常のグローバル変数とどのように異なるのですか？

はい、staticキーワードを使って宣言されたグローバル変数は、その宣言されたファイル内でのみ見えます。プログラムの実行中は存在し続けますが、別のコンパイル（異なる.cファイル）ではアクセスできなくなります。これは、ファイルレベルでデータをカプセル化するために使用されます。

他のファイルからグローバル変数にアクセスするためにexternを必ず使用する必要がありますか？

はい、他のモジュールで定義されたグローバル変数にアクセスしたい場合、通常、ヘッダーファイルでexternキーワードを使って宣言する必要があります。さもなくば、コンパイラは変数を再定義しているとみなします。

// a.c
int global_var = 1;
// b.c
extern int global_var;

次のコードは動作しますか？

// a.c
int var;
// b.c
int var;

いいえ、このコードはリンクエラーを引き起こします。なぜなら、変数が二重に定義されているからです。グローバル変数の定義は一つだけでなければならず、アクセスするためにはexternを使用する必要があります。

よくあるエラーとアンチパターン

異なるファイルで同一のグローバル変数の複数定義。
関数間でのパラメータの受け渡しをせずにグローバル変数を使用すること。
グローバル状態を過剰に使用すること。

実生活の例

ネガティブケース

開発者は、アクセス制限なしでグローバル変数に構成パラメータを配置します：

長所：

どのファイルからでも簡単にアクセスできる。

短所：

変更の透明性がなく、デバッグが非常に困難になり、コードの再利用が難しい。

ポジティブケース

グローバル変数は1つのファイルでのみ定義され、extern経由でアクセスされ、厳格に文書化されます。他の場合では、ファイルの静的スコープやパラメータの構造が使用されます：