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# 全域變數的宣告與定義

雖然我們的編譯器還沒有全域變數，所以這節不會出現對應全域變數的組合語言指令作為範例，但是全域變數在組語階段和函式幾乎是一樣的。因此和函式一樣，全域變數也有分宣告和定義。所以如果變數本體出現在複數C程式檔中的話，通常會報連結錯誤。

全域變數預設是放在不可執行的記憶體區域內，所以要跳到該位址的話程式會發生記憶體區段錯誤（segment fault）然後崩潰（crash），但除此之外，資料和程式本質上是沒有不同的。執行時可以把函式作為資料像全域變數那樣讀取，也可以把記憶體的屬性改成可執行，跳躍到資料的位址，把資料作為程式執行。

函式和全域變數兩方本質上都只是記憶體裡的資料，我們實際用一段程式來確認看看吧。底下的程式是把`main`這個識別碼定義為全域變數。`main`的內容為x86\_64的機械碼：

```c
char main[] = "\x48\xc7\xc0\x2a\x00\x00\x00\xc3";
```

把上述的C程式碼存成 foo.c 後編譯，使用`objdump`確認看看其內容吧。`objdump`預設是顯示為16進制，加上`-D`參數就可以強制把檔案作為程式反組譯：

```
$ gcc -c foo.c
$ objdump -D -M intel foo.o
Disassembly of section .data:

0000000000000000 <main>:
   0:   48 c7 c0 2a 00 00 00    mov    rax,0x2a
   7:   c3                      ret
```

預設把資料放在不可執行區域的作法，可以在編譯時加上`-Wl,--omagic`參數來變更。現在來使用這個參數生成可執行檔：（譯註：譯者在 Windows 10下使用 WSL 的 Debian 無法成功完成此操作，請使用安裝 Linux 發行版的電腦或是虛擬機器來操作。）

```
gcc -static -Wl,--omagic -o foo foo.o
```

函式和變數都被組譯變成單純的標籤，屬於同一個命名空間（namespace），連結器在整合複數目標檔的時候就不會在意誰是資料誰是函式了。因此`main`在C的標籤就算被定義為資料，也可以像`main`是函數的時候一樣成功連結。

執行看看生成出來的檔案吧：

```
$ ./foo
$ echo $?
42
```

如上所述，正確傳回了42。`main`這個全域變數的內容被作為程式執行了。

在C的文法中，全域變數加上`extern`就會變成宣告。底下是`int`型態全域變數foo的宣告：

```c
extern int foo;
```

要寫包含`foo`的程式時，就要把這行寫在標頭檔。然後，在某個C程式檔中要定義`foo`，底下為`foo`的定義：

```c
int foo;
```

此外，C語言中在初始化的時候全域變數會被初始化為`0`，和用`0`或`{0, 0, ...}`、`"\0\0\0\0..."`來進行初始化是一樣的意思。

像`int foo = 3`這樣寫初始值的時候，請只在定義寫初始值。宣告只是為了告訴編譯器型態，不需要寫具體的初始值。編譯器看到全域變數的宣告也不會輸出指令，不需要知道其內部究竟是被初始化成什麼樣。

省略初始值的情況下，全域變數的定義和宣告就只差在`extern`而已，雖然外表很像，但是宣告和定義是不同的東西。這部份概念請好好在此節區分清楚。

{% hint style="info" %}

## 小知識：連結器的歷史

連結器能把複數片斷的機械語言寫成的處理流程統整成1個程式的功能，在電腦發展的初期就已經被需要。有紀錄顯示（註）1947年John Mauchly（最早的數位電腦，ENIAC的計劃領導人），就已經有把從磁帶讀進的子程式做重新定位，統整成1個程式的程式。

就算在最早期的電腦，就希望汎用的子處理流程可以只寫1次，然後可以使用在各式各樣的程式中；而要做到這件事，就需要可以組合程式片斷生成可執行程式的連結器。在1947年，還沒有組合語言，是直接寫機械碼的年代，所以其實對程式設計師來說，連結器這個程式的需求比組合語言還要更為優先。
{% endhint %}

> Linkers and Loaders, ISBN 978-1558604964, John R. Levine (1999) 1.2章
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> > Perhaps surprisingly, these two basic linker functions — relocation and library search — appear to predate even assemblers, as Mauchly expected both the program and subprograms to be written in machine language.