C言語のstaticとexternを図解｜.c/.h・グローバル変数・複数ファイルの仕組み

C言語を基礎から順に学びたい場合は、C言語 学習ロードマップ を参照してください。

プログラムを終了すると、変数や配列の値は基本的に消えます。
商品一覧、設定値、ログのように後で使うデータは、ファイルへ保存します。

また、機能が増えたプログラムを1つの .c ファイルへ書き続けると、修正する場所を探しにくくなります。

この記事では、商品一覧をファイルへ保存する例を使い、次をまとめて学びます。

• fopen、fprintf、fgets、fclose
• .c と .h の役割
• 複数の .c ファイルをGCCでコンパイルする方法
• static が関数・変数・ローカル変数に付いたときの動き
• extern を付けたとき、付けないときの違い
• グローバル変数を共有するときの正しい形
• グローバル変数を使いすぎない判断基準

グローバル変数は便利ですが、どこからでも変更できるため、原因調査を難しくします。

この記事では static と extern を理解するために使います。新しい処理では、まず関数の引数・戻り値・構造体で渡せないかを検討してください。

---

1. ファイル操作の基本

ファイル操作は、次の順番で行います。

関数・指定	役割
fopen	ファイルを開く
fprintf	ファイルへ書き込む
fgets	ファイルから1行読み込む
fclose	ファイルを閉じる
"r"	読み込み用。ファイルがない場合は失敗
"w"	書き込み用。既存の内容を上書き
"a"	追記用。既存ファイルの末尾へ追加

最小の書き込み例

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    FILE *file_pointer = fopen("sample.txt", "w");

    if (file_pointer == NULL)
    {
        printf("sample.txt を開けませんでした。\n");

        return 1;
    }

    if (fprintf(file_pointer, "C言語で保存しました。\n") < 0)
    {
        printf("書き込みに失敗しました。\n");
        fclose(file_pointer);

        return 1;
    }

    if (fclose(file_pointer) == EOF)
    {
        printf("ファイルを閉じるときに失敗しました。\n");

        return 1;
    }

    return 0;
}

最小の読み込み例

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    char line[256];
    FILE *file_pointer = fopen("sample.txt", "r");

    if (file_pointer == NULL)
    {
        printf("sample.txt を開けませんでした。\n");

        return 1;
    }

    while (fgets(line, sizeof line, file_pointer) != NULL)
    {
        printf("%s", line);
    }

    if (ferror(file_pointer))
    {
        printf("読み込み中にエラーが起きました。\n");
        fclose(file_pointer);

        return 1;
    }

    if (fclose(file_pointer) == EOF)
    {
        printf("ファイルを閉じるときに失敗しました。\n");

        return 1;
    }

    return 0;
}

---

2. .c と .h の役割

C言語では、処理の中身と、他のファイルから使うための宣言を分けます。

ファイル	役割
.c	関数の定義、実際の処理を書く
.h	型、定数、関数宣言を共有する
main.c	プログラム全体の流れを書く

stock_app/
├ main.c
├ stock.h
├ stock.c
├ file_store.h
├ file_store.c
├ app_state.h
└ app_state.c

.c ファイルを #include しません。

#include "stock.c"

この書き方は、同じ関数が複数回定義される原因になります。
共有するのは .h ファイルであり、.c ファイルはコンパイルコマンドへ列挙します。

---

3. ヘッダーファイルにはインクルードガードを付ける

#ifndef STOCK_H
#define STOCK_H

// 宣言を書く

#endif

1回目に stock.h を読み込むと、STOCK_H が定義されます。
2回目以降は STOCK_H がすでに定義されているため、中身を読み飛ばします。

同じ型や関数宣言を複数回取り込む事故を防ぐため、ヘッダーファイルには必ず付けます。

---

4. static は「見える範囲」または「値が残る期間」を変える

static は、書く場所で意味が変わります。

書く場所	主な動き
関数の前	その .c ファイル内だけで使える関数になる
ファイル直下の変数	その .c ファイル内だけで使えるグローバル変数になる
関数内のローカル変数	関数を抜けても値が残る

4.1 static 関数

static int normalize_stock_count(int stock_count)
{
    if (stock_count < 0)
    {
        return 0;
    }

    return stock_count;
}

この関数は、定義した .c ファイルの中だけで使えます。

stock.c 内
  normalize_stock_count を呼べる

main.c、file_store.c
  normalize_stock_count を呼べない

static を付けない関数は、外部リンケージを持ちます。
別の .c ファイルから使うなら、ヘッダーファイルに関数宣言を書けます。

// stock.h
int normalize_stock_count(int stock_count);

ただし、他のファイルから使わせる必要がない補助関数まで公開すると、プロジェクト全体で名前がぶつかりやすくなります。

その .c の内部処理だけに使う関数は static にするのが基本です。

4.2 static を付けないとどうなるか

module_a.c と module_b.c に、同じ名前の外部関数を作るとします。

// module_a.c
int calculate_total(int value)
{
    return value + 1;
}

// module_b.c
int calculate_total(int value)
{
    return value + 2;
}

両方をコンパイルすると、同じ外部関数が2つあるため、リンク時に次のようなエラーになります。

multiple definition of 'calculate_total'

一方、両方を static 関数にすると、各 .c の内部だけの別関数として扱われるため、名前はぶつかりません。

static int calculate_total(int value)
{
    return value + 1;
}

ただし、static を付けた関数は他の .c ファイルから呼び出せません。

4.3 static ローカル変数

int get_next_sequence(void)
{
    static int sequence = 1;

    return sequence++;
}

呼び出すたびに、値が残ります。

printf("%d\n", get_next_sequence());
printf("%d\n", get_next_sequence());
printf("%d\n", get_next_sequence());

実行結果です。

1
2
3

通常のローカル変数なら、関数を呼ぶたびに初期化されます。

int get_next_sequence(void)
{
    int sequence = 1;

    return sequence++;
}

この場合、毎回 1 が返ります。

static ローカル変数は状態を持つため、テストしにくくなります。

単純な連番や内部キャッシュなど、値を残す理由が明確な場面だけで使います。

---

5. extern は「実体は別の .c にある」と知らせる

extern は、変数の実体を作りません。

extern int g_saved_product_count;

これは、次の意味です。

g_saved_product_count という int 型の変数は、別の場所で1回だけ定義されている。

実体は、1つの .c ファイルだけに書きます。

int g_saved_product_count = 0;

正しい配置

// app_state.h
#ifndef APP_STATE_H
#define APP_STATE_H

extern int g_saved_product_count;

#endif

// app_state.c
#include "app_state.h"

int g_saved_product_count = 0;

// file_store.c
#include "app_state.h"

void increment_saved_count(void)
{
    g_saved_product_count++;
}

app_state.h を読み込んだ .c ファイルは、同じ1つの変数を参照します。

app_state.c
  int g_saved_product_count = 0;
  ↑ 実体は1つ

main.c / file_store.c
  extern int g_saved_product_count;
  ↑ 同じ実体を使う

extern を付けないとどうなるか

パターン1: 宣言がないまま使う

void increment_saved_count(void)
{
    g_saved_product_count++;
}

この .c から変数の宣言が見えていなければ、コンパイルエラーになります。

error: 'g_saved_product_count' undeclared

パターン2: ヘッダーファイルに実体を書いてしまう

// app_state.h
int g_saved_product_count = 0;

このヘッダーファイルを main.c と file_store.c の両方で読み込むと、変数の実体が複数作られます。

multiple definition of 'g_saved_product_count'

ヘッダーファイルには extern による宣言だけを書き、実体は .c に1回だけ書きます。

パターン3: 複数の .c に static で書く

// main.c
static int g_saved_product_count = 0;

// file_store.c
static int g_saved_product_count = 0;

これはエラーになりません。

ただし、別々の変数が2個作られます。

main.c の g_saved_product_count
file_store.c の g_saved_product_count

片方を増やしても、もう片方の値は変わりません。

static は「共有を防ぐ」、extern は「1つの実体を共有する」と覚えると整理しやすくなります。

グローバル変数は static を付けなくても生存期間が長い

ファイル直下に書いた変数は、static がなくてもプログラム開始から終了まで存在します。

int g_saved_product_count = 0;

static int s_saved_product_count = 0;

違いは、主に他の .c から参照できるかどうかです。

書き方	プログラム終了まで値が残る	他の .c から参照
int g_count = 0;	残る	extern を使えばできる
static int s_count = 0;	残る	できない

---

6. 完成例: 商品一覧を保存する

stock.h

#ifndef STOCK_H
#define STOCK_H

#define PRODUCT_NAME_LENGTH 32

typedef struct
{
    int id;
    char name[PRODUCT_NAME_LENGTH];
    int unit_price;
    int stock_count;
} Product;

void print_product(const Product *product);

#endif

stock.c

#include <stdio.h>

#include "stock.h"

static int normalize_stock_count(int stock_count)
{
    if (stock_count < 0)
    {
        return 0;
    }

    return stock_count;
}

void print_product(const Product *product)
{
    if (product == NULL)
    {
        return;
    }

    printf("商品ID: %d\n", product->id);
    printf("商品名: %s\n", product->name);
    printf("単価: %d円\n", product->unit_price);
    printf("在庫数: %d個\n", normalize_stock_count(product->stock_count));
}

app_state.h

#ifndef APP_STATE_H
#define APP_STATE_H

extern int g_saved_product_count;

#endif

app_state.c

#include "app_state.h"

int g_saved_product_count = 0;

file_store.h

#ifndef FILE_STORE_H
#define FILE_STORE_H

#include <stddef.h>

#include "stock.h"

int save_products_to_file(
    const char *file_path,
    const Product products[],
    size_t product_count);

#endif

file_store.c

#include <stdio.h>

#include "app_state.h"
#include "file_store.h"

static int write_csv_header(FILE *file_pointer)
{
    return fprintf(file_pointer, "ID,商品名,単価,在庫数\n") >= 0;
}

int save_products_to_file(
    const char *file_path,
    const Product products[],
    size_t product_count)
{
    FILE *file_pointer = fopen(file_path, "w");

    if (file_pointer == NULL)
    {
        return 0;
    }

    if (!write_csv_header(file_pointer))
    {
        fclose(file_pointer);

        return 0;
    }

    g_saved_product_count = 0;

    for (size_t index = 0; index < product_count; index++)
    {
        if (fprintf(
                file_pointer,
                "%d,%s,%d,%d\n",
                products[index].id,
                products[index].name,
                products[index].unit_price,
                products[index].stock_count) < 0)
        {
            fclose(file_pointer);

            return 0;
        }

        g_saved_product_count++;
    }

    if (fclose(file_pointer) == EOF)
    {
        return 0;
    }

    return 1;
}

main.c

#include <stdio.h>

#include "app_state.h"
#include "file_store.h"
#include "stock.h"

int main(void)
{
    Product products[] = {
        { 101, "りんご", 120, 10 },
        { 102, "みかん", 100, 8 },
        { 103, "牛乳", 210, 5 }
    };
    size_t product_count = sizeof products / sizeof products[0];

    for (size_t index = 0; index < product_count; index++)
    {
        print_product(&products[index]);
        printf("\n");
    }

    if (!save_products_to_file("products.csv", products, product_count))
    {
        printf("products.csv を保存できませんでした。\n");

        return 1;
    }

    printf("%d件を products.csv へ保存しました。\n", g_saved_product_count);

    return 0;
}

コンパイルと実行

gcc -std=c17 -Wall -Wextra -Wpedantic \
    main.c stock.c file_store.c app_state.c \
    -o stock_app

./stock_app

実行後、products.csv が作成されます。

ID,商品名,単価,在庫数
101,りんご,120,10
102,みかん,100,8
103,牛乳,210,5

---

7. グローバル変数を使う判断基準

状況	第一候補
処理へ値を渡す	関数の引数
処理結果を返す	戻り値、出力用の構造体
複数の値をまとめて渡す	構造体
その .c 内部だけで状態を持つ	static 変数
アプリ全体で本当に1つだけの状態	extern を使うグローバル変数

extern を使うグローバル変数は、次の場合に限定すると安全です。

• アプリ全体の設定
• 初期化済みかどうかの状態
• 明確に1つだけである必要がある共有状態
• 組み込み環境のハードウェアレジスタなど、設計上共有が避けられないもの

---

8. 理解確認

課題1: static 関数

stock.c の normalize_stock_count から static を外し、stock.h に関数宣言を追加してください。

その後、main.c から呼び出してみてください。

次に、static を戻し、main.c から呼び出す設計が不要か考えてください。

課題2: extern の確認

g_saved_product_count の実体を app_state.h へ移動し、main.c と file_store.c の両方で読み込んでください。

どのようなリンクエラーが出るか確認した後、元の正しい形へ戻してください。

課題3: 追記モード

save_products_to_file を変更し、既存の内容を消さずに追記する関数 append_product_to_file を作ってください。

ファイルを開く指定は "a" を使います。

---

まとめ

• ファイル操作は、開く、確認する、読む・書く、閉じるの順に進める
• .h には共有する型・関数宣言、.c には処理の実装を書く
• .c を #include せず、コンパイルコマンドへ列挙する
• static 関数は、その .c 内だけで使える
• static ローカル変数は、関数を抜けても値が残る
• extern は実体を作らず、別の .c にある変数を参照する宣言
• グローバル変数の実体は、必ず1つの .c にだけ書く
• 複数の .c に同名の static 変数を書くと、共有されず別々の変数になる