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条款十:优先考虑限域enum而非未限域enum

Item 10: Prefer scoped enums to unscoped enums

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);
    …
}

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底层类型。对于非限域enum比如Color

enum Color { black, white, red };

编译器可能选择char作为底层类型,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00xFFFFFFFF。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选择一个底层类型。

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enums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的底层类型总是已知的,而对于非限域enum,你可以指定它。

默认情况下,限域枚举的底层类型是int

enum class Status;                  //底层类型是int

如果默认的int不适用,你可以重写它:

enum class Status: std::uint32_t;   //Status的底层类型
                                    //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指定底层类型,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
                            //底层类型为
                            //std::uint8_t

底层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_tstd::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底层类型。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。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。

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都支持底层类型说明语法,限域enum底层类型默认是int。非限域enum没有默认底层类型。
  • 限域enum总是可以前置声明。非限域enum仅当指定它们的底层类型时才能前置。