C语言多源文件中union跨文件访问无法读取一致值问题

问题现象 #

项目包含main.c、loader.c两个源文件，以及定义联合体类型的comp.h头文件，预期实现两个源文件访问同一个联合体实例完成读写。实际运行时，loader()函数内写入数据后打印可确认写入成功，但回到main函数执行读操作时，对应位置值全为0。
相关代码如下：

main.c #

#include <stdio.h>
#include "comp.h"

union memory mem1;

int main() {
    int choice;
    unsigned int addlo, addhi;
    unsigned short data;
    int k;
    while (1)
    {
        printf("Please Select a Command\n");
        printf("0. Exit\n");
        printf("1. Load S-Record\n");
        printf("2. Read Memory\n");
        if(1 != scanf("%d", &choice) == 1)
        {
            fprintf(stderr, "Failed to read command.\n");
            break;
        }
        else if(choice == 0)
        {
            break;
        }
        else if(choice == 1)
        {
            loader();
        }
        else if(choice == 2)
        {
            for(k = 1; k<= 10; k++)
            {
                printf("k: %x mem: %x\n", k, mem1.byte[k]);
            }
        }

    }
    return 0;
}

comp.h #

void loader(void);
union memory{
    unsigned char byte[0x10000];
    unsigned short word[0x8000];
};

loader.c #

#include <stdio.h>
#include "comp.h"

union memory mem;

void loader (void){
    
    int i;
    mem.byte[0] = 0xA1;
    mem.byte[1] = 0xA2;
    for(i = 0; i<= 10; i++)
    {
        printf("i: %x mem: %x\n", i, mem.byte[i]);
    }
    
}

运行输出：

Please Select a Command
0. Exit
1. Load S-Record
2. Read Memory
1
i: 0 mem: a1
i: 1 mem: a2
i: 2 mem: 0
i: 3 mem: 0
i: 4 mem: 0
i: 5 mem: 0
i: 6 mem: 0
i: 7 mem: 0
i: 8 mem: 0
i: 9 mem: 0
i: a mem: 0
Please Select a Command
0. Exit
1. Load S-Record
2. Read Memory
2
k: 1 mem: 0
k: 2 mem: 0
k: 3 mem: 0
k: 4 mem: 0
k: 5 mem: 0
k: 6 mem: 0
k: 7 mem: 0
k: 8 mem: 0
k: 9 mem: 0
k: a mem: 0
Please Select a Command
0. Exit
1. Load S-Record
2. Read Memory

根因分析 #

• 核心问题是定义了两个完全独立的全局联合体实例：main.c中定义的mem1和loader.c中定义的mem是分配在不同内存地址的两个独立变量，loader()写入的是mem，main函数读取的是从未写入过的mem1，自然读不到正确值。全局变量如果没有手动初始化会被默认填0，这就是main里读出来全是0的原因。
• 代码里还有两个附加bug：
  • main中读内存的循环从k=1开始，就算访问的是正确实例，也读不到下标0位置写入的0xA1
  • scanf的判断逻辑写法错误，1 != scanf("%d", &choice) == 1的运算优先级不符合预期，无法正确判断输入是否失败
• 不存在“写入数据没在两次菜单操作间留存”的问题：全局变量的生命周期覆盖整个程序运行周期，只要不主动覆写，写入的值会一直保留。

修复方案 #

按照C语言多文件编程的全局变量规范修改即可：

1. 修改comp.h，添加全局联合体的外部声明，让所有包含该头文件的源文件都知道这个实例的存在：

   void loader(void);
   union memory{
       unsigned char byte[0x10000];
       unsigned short word[0x8000];
   };
   extern union memory mem; // 外部声明，不分配内存，仅告知编译器该变量在其他源文件中定义
   

2. 全局变量只能在一个源文件中定义，删除main.c里的union memory mem1;，保留loader.c里的union memory mem;作为唯一的实例定义。
3. 修改main函数里的访问逻辑，把读内存部分的mem1.byte[k]改成mem.byte[k]，如果需要读取下标0的0xA1，把循环起始值改成k=0。
4. 修正输入判断逻辑，把错误的判断改成：

   if(scanf("%d", &choice) != 1)
   {
       fprintf(stderr, "Failed to read command.\n");
       break;
   }
   

改完重新编译运行，loader写入的值就可以在main里正常读取到了。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者JohnM Wall