EffectiveModernCppChinese/3.MovingToModernCpp/item10.html

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2022-07-02 13:21:48 +08:00
<title>Item 10:优先考虑限域枚举而非未限域枚举 - Effective Modern C++</title>
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<ol class="chapter"><li class="chapter-item expanded "><a href="../Introduction.html">简介</a></li><li class="chapter-item expanded "><div>第一章 类型推导</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item1.html">Item 1:理解模板类型推导</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item2.html">Item 2:理解auto类型推导</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item3.html">Item 3:理解decltype</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item4.html">Item 4:学会查看类型推导结果</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第二章 auto</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../2.Auto/item5.html">Item 5:优先考虑auto而非显式类型声明</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../2.Auto/item6.html">Item 6:auto推导若非己愿使用显式类型初始化惯用法</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第三章 移步现代C++</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item7.html">Item 7:区别使用()和{}创建对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item8.html">Item 8:优先考虑nullptr而非0和NULL</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item9.html">Item 9:优先考虑别名声明而非typedefs</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item10.html" class="active">Item 10:优先考虑限域枚举而非未限域枚举</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item11.html">Item 11:优先考虑使用deleted函数而非使用未定义的私有声明</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item12.html">Item 12:使用override声明重载函数</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item13.html">Item 13:优先考虑const_iterator而非iterator</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item14.html">Item 14:如果函数不抛出异常请使用noexcept</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item15.html">Item 15:尽可能的使用constexpr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item16.html">Item 16:让const成员函数线程安全</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item17.html">Item 17:理解特殊成员函数函数的生成</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第四章 智能指针</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item18.html">Item 18:对于独占资源使用std::unique_ptr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item19.html">Item 19:对于共享资源使用std::shared_ptr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item20.html">Item 20:当std::shared_ptr可能悬空时使用std::weak_ptr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item21.html">Item 21:优先考虑使用std::make_unique和std::make_shared而非new</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item22.html">Item 22:当使用Pimpl惯用法请在实现文件中定义特殊成员函数</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第五章 右值引用,移动语义,完美转发</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item23.html">Item 23:理解std::move和std::forward</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item24.html">Item 24:区别通用引用和右值引用</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item25.html">Item 25:对于右值引用使用std::move对于通用引用使用std::forward</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5
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<main>
<h2 id="条款十优先考虑限域enum而非未限域enum"><a class="header" href="#条款十优先考虑限域enum而非未限域enum">条款十:优先考虑限域<code>enum</code>而非未限域<code>enum</code></a></h2>
<p><strong>Item 10: Prefer scoped <code>enum</code>s to unscoped <code>enum</code>s</strong></p>
<p>通常来说在花括号中声明一个名字会限制它的作用域在花括号之内。但这对于C++98风格的<code>enum</code>中声明的枚举名(译注:<em>enumerator</em>,连同下文“枚举名”都指<em>enumerator</em>)是不成立的。这些枚举名的名字(译注:<em>enumerator</em> names连同下文“名字”都指names属于包含这个<code>enum</code>的作用域,这意味着作用域内不能含有相同名字的其他东西:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum Color { black, white, red }; //black, white, red在
//Color所在的作用域
auto white = false; //错误! white早已在这个作用
//域中声明
</code></pre>
<p>这些枚举名的名字泄漏进它们所被定义的<code>enum</code>在的那个作用域,这个事实有一个官方的术语:未限域枚举(<em>unscoped <code>enum</code></em>)。在C++11中它们有一个相似物限域枚举(<em>scoped <code>enum</code></em>),它不会导致枚举名泄漏:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum class Color { black, white, red }; //black, white, red
//限制在Color域内
auto white = false; //没问题域内没有其他“white”
Color c = white; //错误域中没有枚举名叫white
Color c = Color::white; //没问题
auto c = Color::white; //也没问题也符合Item5的建议
</code></pre>
<p>因为限域<code>enum</code>是通过“<code>enum class</code>”声明,所以它们有时候也被称为枚举类(<em><code>enum</code> classes</em>)。</p>
<p>使用限域<code>enum</code>来减少命名空间污染,这是一个足够合理使用它而不是它的同胞未限域<code>enum</code>的理由,其实限域<code>enum</code>还有第二个吸引人的优点:在它的作用域中,枚举名是强类型。未限域<code>enum</code>中的枚举名会隐式转换为整型(现在,也可以转换为浮点类型)。因此下面这种歪曲语义的做法也是完全有效的:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum Color { black, white, red }; //未限域enum
std::vector&lt;std::size_t&gt; //func返回x的质因子
primeFactors(std::size_t x);
Color c = red;
if (c &lt; 14.5) { // Color与double比较 (!)
auto factors = // 计算一个Color的质因子(!)
primeFactors(c);
}
</code></pre>
<p><code>enum</code>后面写一个<code>class</code>就可以将非限域<code>enum</code>转换为限域<code>enum</code>,接下来就是完全不同的故事展开了。现在不存在任何隐式转换可以将限域<code>enum</code>中的枚举名转化为任何其他类型:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum class Color { black, white, red }; //Color现在是限域enum
Color c = Color::red; //和之前一样,只是
... //多了一个域修饰符
if (c &lt; 14.5) { //错误!不能比较
//Color和double
auto factors = //错误不能向参数为std::size_t
primeFactors(c); //的函数传递Color参数
}
</code></pre>
<p>如果你真的很想执行<code>Color</code>到其他类型的转换,和平常一样,使用正确的类型转换运算符扭曲类型系统:</p>
<pre><code class="language-cpp">if (static_cast&lt;double&gt;(c) &lt; 14.5) { //奇怪的代码,
//但是有效
auto factors = //有问题,但是
primeFactors(static_cast&lt;std::size_t&gt;(c)); //能通过编译
}
</code></pre>
<p>似乎比起非限域<code>enum</code>而言,限域<code>enum</code>有第三个好处,因为限域<code>enum</code>可以被前置声明。也就是说,它们可以不指定枚举名直接声明:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum Color; //错误!
enum class Color; //没问题
</code></pre>
<p>其实这是一个误导。在C++11中非限域<code>enum</code>也可以被前置声明但是只有在做一些其他工作后才能实现。这些工作来源于一个事实在C++中所有的<code>enum</code>都有一个由编译器决定的整型的底层类型。对于非限域<code>enum</code>比如<code>Color</code></p>
<pre><code class="language-cpp">enum Color { black, white, red };
</code></pre>
<p>编译器可能选择<code>char</code>作为底层类型,因为这里只需要表示三个值。然而,有些<code>enum</code>中的枚举值范围可能会大些,比如:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum Status { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
</code></pre>
<p>这里值的范围从<code>0</code><code>0xFFFFFFFF</code>。除了在不寻常的机器上(比如一个<code>char</code>至少有32bits的那种编译器都会选择一个比<code>char</code>大的整型类型来表示<code>Status</code></p>
<p>为了高效使用内存,编译器通常在确保能包含所有枚举值的前提下为<code>enum</code>选择一个最小的底层类型。在一些情况下编译器将会优化速度舍弃大小这种情况下它可能不会选择最小的底层类型而是选择对优化大小有帮助的类型。为此C++98只支持<code>enum</code>定义(所有枚举名全部列出来);<code>enum</code>声明是不被允许的。这使得编译器能在使用之前为每一个<code>enum</code>选择一个底层类型。</p>
<p>但是不能前置声明<code>enum</code>也是有缺点的。最大的缺点莫过于它可能增加编译依赖。再次考虑<code>Status</code> <code>enum</code></p>
<pre><code class="language-cpp">enum Status { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
</code></pre>
<p>这种<code>enum</code>很有可能用于整个系统,因此系统中每个包含这个头文件的组件都会依赖它。如果引入一个新状态值,</p>
<pre><code class="language-cpp">enum Status { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
audited = 500,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
</code></pre>
<p>那么可能整个系统都得重新编译,即使只有一个子系统——或者只有一个函数——使用了新添加的枚举名。这是大家都<strong>不希望</strong>看到的。C++11中的前置声明<code>enum</code>s可以解决这个问题。比如这里有一个完全有效的限域<code>enum</code>声明和一个以该限域<code>enum</code>作为形参的函数声明:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum class Status; //前置声明
void continueProcessing(Status s); //使用前置声明enum
</code></pre>
<p>即使<code>Status</code>的定义发生改变,包含这些声明的头文件也不需要重新编译。而且如果<code>Status</code>有改动(比如添加一个<code>audited</code>枚举名),<code>continueProcessing</code>的行为不受影响(比如因为<code>continueProcessing</code>没有使用这个新添加的<code>audited</code><code>continueProcessing</code>也不需要重新编译。</p>
<p>但是如果编译器在使用它之前需要知晓该<code>enum</code>的大小该怎么声明才能让C++11做到C++98不能做到的事情呢答案很简单限域<code>enum</code>的底层类型总是已知的,而对于非限域<code>enum</code>,你可以指定它。</p>
<p>默认情况下,限域枚举的底层类型是<code>int</code></p>
<pre><code class="language-cpp">enum class Status; //底层类型是int
</code></pre>
<p>如果默认的<code>int</code>不适用,你可以重写它:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum class Status: std::uint32_t;   //Status的底层类型
                                   //是std::uint32_t
                                   //(需要包含 &lt;cstdint&gt;
</code></pre>
<p>不管怎样,编译器都知道限域<code>enum</code>中的枚举名占用多少字节。</p>
<p>要为非限域<code>enum</code>指定底层类型,你可以同上,结果就可以前向声明:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum Color: std::uint8_t; //非限域enum前向声明
                           //底层类型为
                           //std::uint8_t
</code></pre>
<p>底层类型说明也可以放到<code>enum</code>定义处:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum class Status: std::uint32_t { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
audited = 500,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
</code></pre>
<p>限域<code>enum</code>避免命名空间污染而且不接受荒谬的隐式类型转换,但它并非万事皆宜,你可能会很惊讶听到至少有一种情况下非限域<code>enum</code>是很有用的。那就是牵扯到C++11的<code>std::tuple</code>的时候。比如在社交网站中,假设我们有一个<em>tuple</em>保存了用户的名字email地址声望值</p>
<pre><code class="language-cpp">using UserInfo = //类型别名参见Item9
std::tuple&lt;std::string, //名字
std::string, //email地址
std::size_t&gt; ; //声望
</code></pre>
<p>虽然注释说明了tuple各个字段对应的意思但当你在另一文件遇到下面的代码那之前的注释就不是那么有用了</p>
<pre><code class="language-cpp">UserInfo uInfo; //tuple对象
auto val = std::get&lt;1&gt;(uInfo); //获取第一个字段
</code></pre>
<p>作为一个程序员你有很多工作要持续跟进。你应该记住第一个字段代表用户的email地址吗我认为不。可以使用非限域<code>enum</code>将名字和字段编号关联起来以避免上述需求:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum UserInfoFields { uiName, uiEmail, uiReputation };
UserInfo uInfo; //同之前一样
auto val = std::get&lt;uiEmail&gt;(uInfo); //啊获取用户email字段的值
</code></pre>
<p>之所以它能正常工作是因为<code>UserInfoFields</code>中的枚举名隐式转换成<code>std::size_t</code>了,其中<code>std::size_t</code><code>std::get</code>模板实参所需的。</p>
<p>对应的限域<code>enum</code>版本就很啰嗦了:</p>
<pre><code class="language-cpp">enum class UserInfoFields { uiName, uiEmail, uiReputation };
UserInfo uInfo; //同之前一样
auto val =
std::get&lt;static_cast&lt;std::size_t&gt;(UserInfoFields::uiEmail)&gt;
(uInfo);
</code></pre>
<p>为避免这种冗长的表示,我们可以写一个函数传入枚举名并返回对应的<code>std::size_t</code>值,但这有一点技巧性。<code>std::get</code>是一个模板(函数),需要你给出一个<code>std::size_t</code>值的模板实参(注意使用<code>&lt;&gt;</code>而不是<code>()</code>),因此将枚举名变换为<code>std::size_t</code>值的函数必须<strong>在编译期</strong>产生这个结果。如<a href="../3.MovingToModernCpp/item15.html">Item15</a>提到的,那必须是一个<code>constexpr</code>函数。</p>
<p>事实上,它也的确该是一个<code>constexpr</code>函数模板,因为它应该能用于任何<code>enum</code>。如果我们想让它更一般化,我们还要泛化它的返回类型。较之于返回<code>std::size_t</code>,我们更应该返回枚举的底层类型。这可以通过<code>std::underlying_type</code>这个<em>type trait</em>获得。(参见<a href="../3.MovingToModernCpp/item9.html">Item9</a>关于<em>type trait</em>的内容)。最终我们还要再加上<code>noexcept</code>修饰(参见<a href="../3.MovingToModernCpp/item14.html">Item14</a>),因为我们知道它肯定不会产生异常。根据上述分析最终得到的<code>toUType</code>函数模板在编译期接受任意枚举名并返回它的值:</p>
<pre><code class="language-cpp">template&lt;typename E&gt;
constexpr typename std::underlying_type&lt;E&gt;::type
toUType(E enumerator) noexcept
{
return
static_cast&lt;typename
std::underlying_type&lt;E&gt;::type&gt;(enumerator);
}
</code></pre>
<p>在C++14中<code>toUType</code>还可以进一步用<code>std::underlying_type_t</code>(参见<a href="../3.MovingToModernCpp/item9.html">Item9</a>)代替<code>typename std::underlying_type&lt;E&gt;::type</code>打磨:</p>
<pre><code class="language-cpp">template&lt;typename E&gt; //C++14
constexpr std::underlying_type_t&lt;E&gt;
toUType(E enumerator) noexcept
{
return static_cast&lt;std::underlying_type_t&lt;E&gt;&gt;(enumerator);
}
</code></pre>
<p>还可以再用C++14 <code>auto</code>(参见<a href="../1.DeducingTypes/item3.html">Item3</a>)打磨一下代码:</p>
<pre><code class="language-cpp">template&lt;typename E&gt; //C++14
constexpr auto
toUType(E enumerator) noexcept
{
return static_cast&lt;std::underlying_type_t&lt;E&gt;&gt;(enumerator);
}
</code></pre>
<p>不管它怎么写,<code>toUType</code>现在允许这样访问tuple的字段了</p>
<pre><code class="language-cpp">auto val = std::get&lt;toUType(UserInfoFields::uiEmail)&gt;(uInfo);
</code></pre>
<p>这仍然比使用非限域<code>enum</code>要写更多的代码但同时它也避免命名空间污染防止不经意间使用隐式转换。大多数情况下你应该会觉得多敲几个几行字符作为避免使用未限域枚举这种老得和2400波特率猫同时代技术的代价是值得的。</p>
<p><strong>记住</strong></p>
<ul>
<li>C++98的<code>enum</code>即非限域<code>enum</code></li>
<li>限域<code>enum</code>的枚举名仅在<code>enum</code>内可见。要转换为其它类型只能使用<em>cast</em></li>
<li>非限域/限域<code>enum</code>都支持底层类型说明语法,限域<code>enum</code>底层类型默认是<code>int</code>。非限域<code>enum</code>没有默认底层类型。</li>
<li>限域<code>enum</code>总是可以前置声明。非限域<code>enum</code>仅当指定它们的底层类型时才能前置。</li>
</ul>
</main>
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