【6日でできるC言語入門】複数のヘッダーファイルへの分割

【6日でできるC言語入門】複数のヘッダーファイルへの分割

　ソースコードが成長すると、ファイルを「ヘッダ」と「実装」に切り分けるだけでは管理が追いつかなくなります。特にチーム開発では、関心ごとごとに複数のヘッダーファイルへさらに分割し、依存関係を明示しておくことが重要です。
　ここでは「複数ヘッダへの分割」をテーマに、グローバル変数の共有方法を含めた実践的なテクニックを紹介します。最後まで読めば、モジュール化されたプロジェクトを安全にビルド・保守できる設計指針が身につきます。

１．なぜ複数ヘッダに分けるのか

1.1. 単一ヘッダの限界

1.2. 関心ごとに切り分ける戦略

1.3. ヘッダと実装をペアにするメリット

• インターフェースと実装の分離 ― ヘッダに公開 API だけを置き、実装詳細を.c側に隠蔽
• 再利用性の向上 ― 必要なヘッダだけを #include すれば依存を最小化
• ビルド高速化 ― 変更が局所化され、インクリメンタルビルドが効きやすい

２．グローバル変数を共有する方法

2.1. グローバル変数の可視範囲

　デフォルトでは 定義した翻訳単位（.cファイル）内のみ に実体が生成されます。他ファイルからアクセスするには宣言が必要です。

2.2. extern 修飾子

extern は「実体は外部にある」とリンカへ伝え、重複定義エラーを防ぎます。

/* どこか１ファイルで実体を定義 */
int calcRes = 0;

/* 他ファイルから参照だけするとき */
extern int calcRes;

2.3. ヘッダで宣言する慣習

　グローバル変数を複数ファイルで共有するなら、extern int calcRes; を専用ヘッダに置き、全ファイルで同じ宣言を使い回すと整合性が保てます。

３．サンプルで学ぶファイル分割

3.1. 分割前のコード（no_split.c）

プロジェクト/ファイル名： Lesson45_1/no_split.c

#include <stdio.h>
int calcRes = 0;                 /* グローバル変数 */

void mul(int, int);              /* 掛け算 */
void divi(int, int);             /* 割り算（整数） */
void printRes(void);             /* 結果表示 */

int main(void){
    int x = 8, y = 2;
    printf("%d × %d = ", x, y);
    mul(x, y);
    printRes();
    printf("%d ÷ %d = ", x, y);
    divi(x, y);
    printRes();
    return 0;
}
void mul(int a, int b){ calcRes = a * b; }
void divi(int a, int b){ calcRes = a / b; }
void printRes(void){ printf("%d\n", calcRes); }

実行結果

8 × 2 = 16
8 ÷ 2 = 4

変更点が増えると再ビルドが大変です。次節で 5 ファイルに分割します。

3.2. 分割後の構成

Lesson45_2/
 ├── main.c
 ├── mathops.h
 ├── mathops.c
 ├── screen.h
 └── screen.c

mathops.h

プロジェクト/ファイル名： Lesson45_2/mathops.h

#ifndef MATHOPS_H
#define MATHOPS_H
void mul(int, int);
void divi(int, int);
extern int calcRes;      /* グローバルを宣言だけ */
#endif

mathops.c

プロジェクト/ファイル名： Lesson45_2/mathops.c

#include "mathops.h"
int calcRes = 0;         /* 実体はここに１つだけ */

void mul(int a, int b){ calcRes = a * b; }
void divi(int a, int b){ calcRes = a / b; }

screen.h

プロジェクト/ファイル名： Lesson45_2/screen.h

#ifndef SCREEN_H
#define SCREEN_H
void printRes(void);
#endif

screen.c

プロジェクト/ファイル名： Lesson45_2/screen.c

#include <stdio.h>
#include "mathops.h"     /* calcRes を参照するために含める */
#include "screen.h"

void printRes(void){
    printf("%d\n", calcRes);
}

main.c

プロジェクト/ファイル名： Lesson45_2/main.c

#include <stdio.h>
#include "mathops.h"
#include "screen.h"

int main(void){
    int x = 8, y = 2;
    printf("%d × %d = ", x, y);
    mul(x, y);
    printRes();
    printf("%d ÷ %d = ", x, y);
    divi(x, y);
    printRes();
    return 0;
}

3.3. 実行方法

１．「ビルド」 メニューから「ソリューションのビルド」を選択します。

２．ビルドが成功すると、「main.c」「mathops.c」「screen.c」の両方がコンパイルされ、正しくリンクされます。

３．「デバッグ」 メニューから「デバッグなしで開始」を選択します。

４．結果ウィンドウに、次のような出力が表示されます。

8 × 2 = 16
8 ÷ 2 = 4

3.4. 学びのポイント

４．コンパイラが行う三段階処理

• プリプロセッサ
  #include, #define などを展開し、単一の翻訳単位を生成。
• コンパイル
  翻訳単位を機械語命令へ変換し、オブジェクトファイル（.o/.obj）を生成。
• リンカ
  複数のオブジェクトファイルとライブラリを結合し、実行ファイルを作成。extern で宣言したシンボルをここで解決する。

５．ベストプラクティス

5.1. ヘッダガード

#ifndef MODULE_H
#define MODULE_H
/* 宣言 */
#endif

多重インクルードを防ぎ、予期せぬ再定義を回避します。

5.2. 最小限の #include

ヘッダ内では前方宣言を使い、依存を減らすことでビルド時間を短縮。

5.3. 再コンパイルを減らすコツ

• 実装変更だけなら .c のみ更新
• 公開インターフェース（.h）を安易に書き換えない

６．Cコンパイラの仕組み

C プログラムが最終的な実行ファイルになるまでには、プリプロセッサ → コンパイラ → アセンブラ → リンカ という 4 段階を順に通過します。各段階の役割をまとめると以下のとおりです。

ポイント

• extern 宣言はリンカが同名シンボルを照合するための“契約”
• インクリメンタルビルドでは、修正した翻訳単位だけを再コンパイルし、既存の .o を再利用して高速化

6.1. C コンパイラの仕組み

　この図は、複数ヘッダ・複数ソースに分割した今回のサンプル構成でも同様に適用されます。mathops.o や screen.o など個別に生成されたオブジェクトファイルは、最後のリンカ段階で一つに束ねられ、ライブラリ (libc, libm など) が組み込まれて実行形式になります。

まとめ

• 複数ヘッダに分割すると、大規模プロジェクトでも変更範囲を局所化できる
• グローバル変数共有には extern + 実体は1か所 が原則
• ヘッダガードと依存最小化でビルドを高速・安全に保とう

　自分のプロジェクトでも関心ごとごとにヘッダを整理し、今回のサンプル構成を試してみてください。保守性とコンパイル効率が大きく向上します。