C 和 C++ 都有宣告 declaraction 和定義 definition 的區別 ，本篇文章將探討這兩個的差異。

declaration 宣告讓編譯器知道變數的型別和名稱，以便進行語法檢查；
而 definition 定義則表示該變數已被配置好所需的記憶體空間並可以設定初值。需特別注意， definition 也是一種 declaration 。

關鍵字 extern

需要注意的是，extern 關鍵字可以用來宣告變數或函數，而不定義它們。extern 的作用在於告訴編譯器：

這個變數或函式可能在別的檔案定義，我現在告訴你它的型別。好讓你進行語法檢查，請不要說我未宣告就使用了！

從名稱的作用域(scope)角度來看，一個 global variable 的作用域會限定在它被定義的那個 source code 內，透過 extern 關鍵字，就能擴展一個 global variable 的 scope ，使得在其他檔案中也能使用該 global variable 。

如果在使用 extern 關鍵字宣告變數，卻又設定了初值，那這個宣告式將被當成定義式看待。需要注意的是，定義式只能存在一個，但是宣告式可以有很多個。

extern double pi = 3.1415;
double pi;  // 定義第二次了， compiler 會報錯

extern double pi = 3.1415;
extern double pi;  // 這是宣告，沒有問題

以下舉一些宣告和定義的例子：

// declaration
extern int i;
extern int foo(int, int);
double bar (float);  // extern 用在 function declaration 可以被省略
struct dog {
    int height;
    int weight;
};
class animal;

// definition
int bar;
int i = 1;
int func (int val) { return val+1; }
class animal { };

以 linker 角度來看定義式只能有一個

通常，變數的定義應該寫在 .c 檔案中，而不是在 header files 中。如果在 header files 中定義變數，因為 header file 可能會被多個檔案引用，可能會導致定義多個變數的情況，從而導致編譯器報錯。

需要注意的是，一個變數只能被定義一次，但可以聲明多次。這是因為在經過 preprocessor, compiler 和 assembler 處理 source code 後，會生成 seperately relocatable object files。在這些 object file 中，每個變量或函數都被分為 strong symbol 或 weak symbol（可以參考我之前研讀 CS:APP Ch7 時寫的筆記 了解如何分類和 linker 的行為）。由定義式生成並帶有初始值的變量被歸類為 strong symbol，由聲明式生成的變量被歸類為 weak symbol。為了處理所有的可重定位目標文件並生成最終的可執行目標文件， linker 會進行 symbol resolution，以找到所有 weak symbol 對應的 strong symbol。

因此，如果在標頭檔中定義變數，在多個源代碼文件中引用這個標頭檔時，就可能出現多個定義式的情況，這將導致 linker 無法解析 symbol，進而導致編譯器報錯。因此，變數的定義應該寫在 .c 檔案中，而不是在標頭檔中。

以下舉例說明：

[foo1.c]

int x = 122;
void func();

int main()
{
    func ();
    printf ("%d", x);
}

[bar1.c]

extern int x;
void func()
{
    x++;
    printf ("x = %d", x);
}
// Output 為 x = 123

foo1.c 跟 bar1.c 會各自被轉換為 relocatable object file ，當要產生最終的 executable object file ， foo1.c 內的變數 x 是一個 strong symbol ，而 bar1.c 內的變數 x 是一個 weak symbol ，weak symbol 會被認定需要 reference 到 strong symbol 。

[foo2.c]

int x = 5566;
int main ()
{
}

[bar2.c]

int x = 777;
void f() { }

foo2.c 和 bar2.c 的變數 x 均為 strong symbol ，linker 會報出 multiple definition 錯誤，因為有兩個 strong symbol 同名， linker 無法做 symbol resolution ，會報出錯誤。

從 linker 的角度，如果有多個定義式，將使得 symbol resolution 無法繼續進行，最終的 executable object file 也無法被順利產出。

Reference

1. How do I use extern to share variables between source files? - stackoverflow

Updated on 2023-05-13 14:18:42 星期六