C言語ヘッダーファイルの理解：種類、使い方、ベストプラクティス

ヘッダーファイルは.h拡張子を持つファイルで、複数のソースファイル間で共有するC関数の宣言やマクロ定義を含みます。ヘッダーファイルには、プログラマが自作するファイルと、コンパイラに付属するシステムヘッダーの2種類があります。

プログラムでヘッダーファイルを利用するには、Cプリプロセッサ指令#includeで読み込みます。stdio.hのようにコンパイラ付属のヘッダーを読み込んだ例をすでに見てきました。

ヘッダーファイルをインクルードすることは、その内容をコピーすることと等価ですが、手動でコピーするのはエラーの原因になり、特に複数のソースファイルがある場合は良くない習慣です。

C/C++プログラムでは、定数、マクロ、システム全体のグローバル変数、関数プロトタイプをヘッダーファイルにまとめ、必要な場所でインクルードするのが標準的なプラクティスです。

インクルードの構文

ユーザー作成・システム両方のヘッダーファイルは、プリプロセッサ指令#includeで読み込みます。これには2つの形式があります。

#include <file>

この形式はシステムヘッダーファイル用です。'file'という名前のファイルを、システムディレクトリの標準リストから検索します。コンパイル時に-Iオプションでディレクトリを追加できます。

#include "file"

この形式は自作プログラムのヘッダーファイル用です。'file'を現在のファイルが存在するディレクトリから検索します。こちらも-Iオプションで検索パスを追加可能です。

#include指令は、Cプリプロセッサに指定ファイルを入力としてスキャンさせ、その後現在のソースファイルの残りを処理させます。プリプロセッサの出力は、すでに生成された出力、インクルードされたファイルからの出力、#include指令以降のテキストからの出力の順で連結されます。

例えば、header.hが以下の内容だとします。

char *test(void);

このヘッダーを使うprogram.cが以下なら、

int x;
#include "header.h"
int main(void) {
    puts(test());
}

コンパイラは以下と同じトークンストリームを見ることになります。

int x;
char *test(void);
int main(void) {
    puts(test());
}

ヘッダーファイルが二重にインクルードされると、コンパイラが内容を二度処理してエラーになります。標準的な防止策は、ファイル全体を条件分岐で囲むことです。

#ifndef HEADER_FILE
#define HEADER_FILE
/* ヘッダーファイルの実際の内容 */
#endif

この構造は#ifndefラッパーとして知られます。再インクルード時にはHEADER_FILEが定義済みなので条件は偽となり、プリプロセッサはファイル全体をスキップし、コンパイラは二度見ることはありません。

複数のヘッダーファイルからいずれかを選択してインクルードしたい場合があります。例えば、OSごとに異なる設定ヘッダーを使うケースです。条件分岐で書くと：

#if SYSTEM_1
# include "system_1.h"
#elif SYSTEM_2
# include "system_2.h"
#elif SYSTEM_3
...
#endif

しかし条件が増えると煩雑になります。そこでプリプロセッサは、ヘッダー名にマクロを使える演算インクルード機能を提供します。

#define SYSTEM_H "system_1.h"
...
#include SYSTEM_H

SYSTEM_Hが展開され、あたかも#include "system_1.h"と書いたかのように振る舞います。SYSTEM_HはMakefileで-Dオプションにより定義できます。

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