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条款十:优先考虑限域enum
而非未限域enum
Item 10: Prefer scoped enum
s to unscoped enum
s
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enum
中声明的枚举名(译注:enumerator,连同下文“枚举名”都指enumerator)是不成立的。这些枚举名的名字(译注:enumerator names,连同下文“名字”都指names)属于包含这个enum
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:
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
这些枚举名的名字泄漏进它们所被定义的enum
在的那个作用域,这个事实有一个官方的术语:未限域枚举(unscoped enum
)。在C++11中它们有一个相似物,限域枚举(scoped enum
),它不会导致枚举名泄漏:
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)
因为限域enum
是通过“enum class
”声明,所以它们有时候也被称为枚举类(enum
classes)。
使用限域enum
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enum
的理由,其实限域enum
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enum
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:
enum Color { black, white, red }; //未限域enum
std::vector<std::size_t> //func返回x的质因子
primeFactors(std::size_t x);
Color c = red;
...
if (c < 14.5) { // Color与double比较 (!)
auto factors = // 计算一个Color的质因子(!)
primeFactors(c);
…
}
在enum
后面写一个class
就可以将非限域enum
转换为限域enum
,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enum
中的枚举名转化为任何其他类型:
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 < 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
...
}
如果你真的很想执行Color
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:
if (static_cast<double>(c) < 14.5) { //奇怪的代码,
//但是有效
auto factors = //有问题,但是
primeFactors(static_cast<std::size_t>(c)); //能通过编译
...
}
似乎比起非限域enum
而言,限域enum
有第三个好处,因为限域enum
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:
enum Color; //错误!
enum class Color; //没问题
其实这是一个误导。在C++11中,非限域enum
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enum
都有一个由编译器决定的整型的基础类型。对于非限域enum
比如Color
,
enum Color { black, white, red };
编译器可能选择char
作为基础类型,因为这里只需要表示三个值。然而,有些enum
中的枚举值范围可能会大些,比如:
enum Status { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
这里值的范围从0
到0xFFFFFFFF
。除了在不寻常的机器上(比如一个char
至少有32bits的那种),编译器都会选择一个比char
大的整型类型来表示Status
。
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enum
选择一个最小的基础类型。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基础类型,而是选择对优化大小有帮助的类型。为此,C++98只支持enum
定义(所有枚举名全部列出来);enum
声明是不被允许的。这使得编译器能在使用之前为每一个enum
选择一个基础类型。
但是不能前置声明enum
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Status
enum
:
enum Status { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
这种enum
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,
enum Status { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
audited = 500,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
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。这是大家都不希望看到的。C++11中的前置声明enum
s可以解决这个问题。比如这里有一个完全有效的限域enum
声明和一个以该限域enum
作为形参的函数声明:
enum class Status; //前置声明
void continueProcessing(Status s); //使用前置声明enum
即使Status
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Status
有改动(比如添加一个audited
枚举名),continueProcessing
的行为不受影响(比如因为continueProcessing
没有使用这个新添加的audited
),continueProcessing
也不需要重新编译。
但是如果编译器在使用它之前需要知晓该enum
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enum
的基础类型总是已知的,而对于非限域enum
,你可以指定它。
默认情况下,限域枚举的基础类型是int
:
enum class Status; //基础类型是int
如果默认的int
不适用,你可以重写它:
enum class Status: std::uint32_t; //Status的基础类型
//是std::uint32_t
//(需要包含 <cstdint>)
不管怎样,编译器都知道限域enum
中的枚举名占用多少字节。
要为非限域enum
指定基础类型,你可以同上,结果就可以前向声明:
enum Color: std::uint8_t; //非限域enum前向声明
//基础类型为
//std::uint8_t
基础类型说明也可以放到enum
定义处:
enum class Status: std::uint32_t { good = 0,
failed = 1,
incomplete = 100,
corrupt = 200,
audited = 500,
indeterminate = 0xFFFFFFFF
};
限域enum
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enum
是很有用的。那就是牵扯到C++11的std::tuple
的时候。比如在社交网站中,假设我们有一个tuple保存了用户的名字,email地址,声望值:
using UserInfo = //类型别名,参见Item9
std::tuple<std::string, //名字
std::string, //email地址
std::size_t> ; //声望
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:
UserInfo uInfo; //tuple对象
...
auto val = std::get<1>(uInfo); //获取第一个字段
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enum
将名字和字段编号关联起来以避免上述需求:
enum UserInfoFields { uiName, uiEmail, uiReputation };
UserInfo uInfo; //同之前一样
...
auto val = std::get<uiEmail>(uInfo); //啊,获取用户email字段的值
之所以它能正常工作是因为UserInfoFields
中的枚举名隐式转换成std::size_t
了,其中std::size_t
是std::get
模板实参所需的。
对应的限域enum
版本就很啰嗦了:
enum class UserInfoFields { uiName, uiEmail, uiReputation };
UserInfo uInfo; //同之前一样
...
auto val =
std::get<static_cast<std::size_t>(UserInfoFields::uiEmail)>
(uInfo);
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std::size_t
值,但这有一点技巧性。std::get
是一个模板(函数),需要你给出一个std::size_t
值的模板实参(注意使用<>
而不是()
),因此将枚举名变换为std::size_t
值的函数必须在编译期产生这个结果。如Item15提到的,那必须是一个constexpr
函数。
事实上,它也的确该是一个constexpr
函数模板,因为它应该能用于任何enum
。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std::size_t
,我们更应该返回枚举的基础类型。这可以通过std::underlying_type
这个type trait获得。(参见Item9关于type trait的内容)。最终我们还要再加上noexcept
修饰(参见Item14),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toUType
函数模板在编译期接受任意枚举名并返回它的值:
template<typename E>
constexpr typename std::underlying_type<E>::type
toUType(E enumerator) noexcept
{
return
static_cast<typename
std::underlying_type<E>::type>(enumerator);
}
在C++14中,toUType
还可以进一步用std::underlying_type_t
(参见Item9)代替typename std::underlying_type<E>::type
打磨:
template<typename E> //C++14
constexpr std::underlying_type_t<E>
toUType(E enumerator) noexcept
{
return static_cast<std::underlying_type_t<E>>(enumerator);
}
还可以再用C++14 auto
(参见Item3)打磨一下代码:
template<typename E> //C++14
constexpr auto
toUType(E enumerator) noexcept
{
return static_cast<std::underlying_type_t<E>>(enumerator);
}
不管它怎么写,toUType
现在允许这样访问tuple的字段了:
auto val = std::get<toUType(UserInfoFields::uiEmail)>(uInfo);
这仍然比使用非限域enum
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。在大多情况下,你可能会认为多输入一些字符是一个合理的代价,
用来避免这种可以追溯到数字电信领域最先的进技术是2400波特调制解调器的远古时代的枚举技术缺陷。
记住
- C++98的
enum
即非限域enum
。 - 限域
enum
的枚举名仅在enum
内可见。要转换为其它类型只能使用cast。 - 非限域/限域
enum
都支持基础类型说明语法,限域enum
基础类型默认是int
。非限域enum
没有默认基础类型。 - 限域
enum
总是可以前置声明。非限域enum
仅当指定它们的基础类型时才能前置。