C 言語のストレージクラス理解: auto、extern、static、register を解説

C 言語におけるストレージクラスとは？

ストレージクラスは、変数のスコープ、配置場所、初期化、生存期間、アクセス可能性を定義します。C では、すべての変数は型を持つだけでなく、どこでどのようにアクセスできるかを決定するストレージクラスも割り当てられます。

標準的なストレージクラスは 4 つあります:

• auto – ローカル変数のデフォルト。
• extern – 別ファイルに存在するグローバル変数や関数を宣言。
• static – 変数の値を呼び出し間で保持し、可視性をファイルまたは関数に限定。
• register – 変数を CPU レジスタに格納するようコンパイラにヒントを与え、高速アクセスを狙う。

auto ストレージクラス

auto で宣言された変数 (ローカル変数のデフォルト) は、定義されたブロック内でのみ存在します。ブロックを抜けると破棄され、明示的に設定しない限り不定値で初期化されます。

int add(void) {
    int a = 13;
    auto int b = 48; // auto は省略可能
    return a + b;
}

スコープのデモンストレーション:

#include <stdio.h>
int main(void) {
    auto int j = 1;
    {
        auto int j = 2;
        {
            auto int j = 3;
            printf("%d ", j); // 3 を出力
        }
        printf("\t%d ", j); // 2 を出力
    }
    printf("%d\n", j); // 1 を出力
}

出力: 3 2 1

extern ストレージクラス

extern キーワードは、別の翻訳単位で定義されている変数や関数を宣言します。ソースファイル間でのデータ共有を可能にします。

/* main.c */
#include <stdio.h>
extern int i; // 宣言
int main(void) {
    printf("value of the external integer is = %d\n", i);
    return 0;
}
/* original.c */
#include <stdio.h>
int i = 48; // 定義

両ファイルを同時にコンパイル: gcc main.c original.c -o program。./program 実行で出力:

value of the external integer is = 48

static ストレージクラス

static 変数はプログラムの期間中、値を保持します。ローカル static とファイルスコープ static の 2 通りで使用できます。

• ローカル static – 関数内でのみ可視だが、呼び出し間で持続。
• ファイルスコープ static – 宣言されたファイル内でのみ可視。

/* グローバル static */
static int counter = 7;
void next(void) {
    /* ローカル static */
    static int iteration = 13;
    iteration++;
    printf("iteration=%d and counter=%d\n", iteration, counter);
}
int main(void) {
    while (counter < 10) {
        next();
        counter++;
    }
    return 0;
}

出力:

iteration=14 and counter=7
iteration=15 and counter=8
iteration=16 and counter=9

register ストレージクラス

頻繁にアクセスされ、CPU レジスタに収まる変数に register を使用。レジスタが不足している場合、コンパイラはヒントを無視することがあります。

#include <stdio.h>
int main(void) {
    register int weight;
    /* アドレス取得は失敗する */
    // int *ptr = &weight; // コンパイルエラー
    return 0;
}

コンパイル結果:

error: address of register variable 'weight' requested

まとめ表

ストレージクラス	宣言コンテキスト	格納場所	デフォルト値	スコープ	生存期間
auto	関数/ブロック内	メモリ	不定	関数/ブロック	関数/ブロック
register	関数/ブロック内	CPUレジスタ	不定	関数/ブロック	関数/ブロック
extern	すべての関数の外側	メモリ	ゼロ	プログラム全体	プログラム実行中
static (ローカル)	関数/ブロック内	メモリ	ゼロ	関数/ブロック	プログラム実行中
static (グローバル)	すべての関数の外側	メモリ	ゼロ	ファイル	プログラム実行中

重要なポイント

• ストレージクラスは変数の可視性と生存期間を制御。
• 標準的なローカル変数には auto を使用。
• パフォーマンスクリティカルなカウンターには register (コンパイラサポートに依存)。
• 関数呼び出し間で状態を保持するか、ファイルスコープを限定するには static。
• ソースファイル間で変数や関数を共有するには extern。