enum类型的本质
原地址:http://www.cppblog.com/chemz/archive/2007/06/05/25578.html
至从C语言开始enum类型就被作为用户自定义分类有限集合常量的方法被引入到了语言
当中,而且一度成为C++中定义编译期常量的唯一方法(后来在类中引入了静态整型常量)。
根据上面对enum类型的描述,到底enum所定义出来的类型是一个什么样的类型呢?作为
一个用户自定义的类型其所占用的内存空间是多少呢?使用enum类型是否真的能够起到有限
集合常量的边界约束呢?大家可能都知道enum类型和int类型具有隐示(自动)转换的规则,
那么是否真的在任何地方都可以使用enum类型的变量来代替int类型的变量呢?下面会逐一
回答这些问题。
1. 到底enum所定义出来的类型是一个什么样的类型呢?
在C++中大家都知道仅仅有两种大的类型分类:POD类型和类类型(不清楚的可以参
见我的其他文章)。enum所定义的类型其实属于POD类型,也就是说它会参与到POD
类型的隐示转换规则当中去,所以才会出现enum类型与int类型之间的隐示转换现象。
那么也就是说enum所定义的类型不具备名字空间限定能力(因为不属于类类型),
其所定义的常量子具备和enum类型所在名字空间相同的可见性,由于自身没有名字
限定能力,所以会出现名字冲突现象。如:
struct CEType
{
enum EType1 { e1, e2 };
enum EType2 { e1, e2 };
};
上面的例子会出现e1、e2名字冲突编译时错误,原因就在于枚举子(e1、e2)是
CEType名字空间中的名字,同样在引用该CEType中的枚举子时必须采用CEType::e1
这样的方式进行,而不是CEType::EType1::e1来进行引用。
2. 作为一个用户自定义的类型其所占用的内存空间是多少呢?
该问题就是sizeof( EType1 )等于多少的问题,是不是每一个用户自定义的枚举类
型都具有相同的尺寸呢?在大多数的32位编译器下(如:VC++、gcc等)一个枚举类
型的尺寸其实就是一个sizeof( int )的大小,难道枚举类型的尺寸真的就应该是int
类型的尺寸吗?其实不是这样的,在C++标准文档(ISO14882)中并没有这样来定义,
标准中是这样说明的:“枚举类型的尺寸是以能够容纳最大枚举子的值的整数的尺寸”,
同时标准中也说名了:“枚举类型中的枚举子的值必须要能够用一个int类型表述”,
也就是说,枚举类型的尺寸不能够超过int类型的尺寸,但是是不是必须和int类型
具有相同的尺寸呢?上面的标准已经说得很清楚了,只要能够容纳最大的枚举子的
值的整数就可以了,那么就是说可以是char、short和int。例如:
enum EType1 { e1 = CHAR_MAX };
enum EType2 { e2 = SHRT_MAX };
enum EType3 { e3 = INT_MAX };
上面的三个枚举类型分别可以用char、short、int的内存空间进行表示,也就是:
sizeof( EType1 ) == sizeof( char );
sizeof( EType2 ) == sizeof( short );
sizeof( EType3 ) == sizeof( int );
那为什么在32位的编译器下都会将上面三个枚举类型的尺寸编译成int类型的尺寸呢?
主要是从32位数据内存对其方面的要求进行考虑的,在某些计算机硬件环境下具有对
齐的强制性要求(如:sun SPARC),有些则是因为采用一个完整的32位字长CPU处理
效率非常高的原因(如:IA32)。所以不可以简单的假设枚举类型的尺寸就是int类
型的尺寸,说不定会遇到一个编译器为了节约内存而采用上面的处理策略。
3. 使用enum类型是否真的能够起到有限集合常量的边界约束呢?
首先看一下下面这个例子:
enum EType { e1 = 0, e2 }; void func1( EType e ) { if ( e == e1 ) { // do something } // do something because e != e1 must e == e2 } void func2( EType e ) { if ( e == e1 ) { // do something } else if ( e == e2 ) { // do something } } func1( static_cast<EType>( 2 ) ); func2( static_cast<EType>( -1 ) );
上面的代码应该很清楚的说明了这样一种异常的情况了,在使用一个操出范围的整
型值调用func1函数时会导致函数采取不该采取的行为,而第二个函数可能会好一些
他仅仅是忽略了超出范围的值。这就说明枚举所定义的类型并不是一个真正强类型
的有限常量集合,这样一种条件下和将上述的两个函数参数声明成为整数类型没有
任何差异。所以以后要注意标准定义中枚举类型的陷阱。(其实只有类类型才是真
正的强类型)
4. 是否真的在任何地方都可以使用enum类型的变量来代替int类型的变量呢?
通过上面的讨论,其实枚举类型的变量和整型变量具有了太多的一致性和可互换性,
那么是不是在每一个可以使用int类型的地方都可以很好的用枚举类型来替代呢?
其实也不是这样的,毕竟枚举类型是一个在编译时可区分的类型,同时第2点的分析
枚举类型不一定和int类型具有相同的尺寸,这两个差异就决定了在某些场合是不可
以使用枚举类型来代替int类型的。如:
第一种情况:
enum EType { e1 = 0, e2, e3 };
EType val;
std::cin >> val;
第二种情况:
enum EType { e1 = 0, e2, e3 };
EType val;
std::scanf( "%d", &val );
上面的两种情况看是基本上属于同一种类型的问题,其实不然。第一种情况会导致
编译时错误,会因为std::cin没有定义对应的枚举类型的重载>>运算符而出错,这
就说明枚举类型是一种独立和鉴别的类型;而第二种情况不会有任何编译时问题,
但是可能会导致scanf函数栈被破坏而使得程序运行非法,为什么会这样呢?上面
已经分析过了枚举类型变量的尺寸不一定和int类型相同,这样一来我们采用%d就
是说将枚举类型变量val当作4字节的int变量来看待并进行参数压栈,而在某些编
译器下sizeof( val )等于1字节,这样scanf函数就会将val变量地址中的后续的三
字节地址也压入栈中,并对其进行赋值,也许val变量后续的三个字节的地址没有
特殊含义可以被改写(比如是字节对齐的空地址空间),可能会认为他不会出现错
误,其实不然,在scanf函数调用结束后会进行栈清理,这样一来会导致scanf函数
清理了过多的地址空间,从而破坏了外围函数的栈指针的指向,从而必然会导致程
序运行时错误。
由上面的说明枚举类型有那么多的缺点,那我们怎样才能够有一个类型安全的枚举类型
呢?其实可以采用类类型来模拟枚举类型的有限常量集合的概念,同时得到类型安全的好处,
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