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从 C++17、C++20 到 C++23,不断进阶的枚举类!

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发表于 2024-9-10 09:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文经授权转自公众号CSDN(ID:CSDNnews)
作者 | Bart?omiej Filipek
随着 C++ 标准的不断演进,枚举类型(enum class)作为一种重要的数据结构,在 C++ 社区中扮演着越来越重要的角色。从 C++17 到 C++23,我们见证了枚举类型的多项改进和完善,这些变化不仅增强了语言本身的表达能力,也为开发者提供了更强大、更安全的编程工具。
原文链接:https://www.cppstories.com/2024/enum-improvements/

C++语言的演进不断带来强大的新特性,提升了代码的安全性、可读性和可维护性。在这些改进中,我们见证了从 C++17、C++20 到 C++23 中对 enum class 功能的修改和扩展。在这篇文章中,我们将探讨这些进展,重点介绍 C++17 中的初始化改进、C++20 中引入的 using enum 关键字,以及 C++23 中的 std::to_underlying 实用工具。
1、enum class 简介
在深入了解这些改进之前,让我们先简要回顾一下 enum class 是什么。enum class(限定作用域的枚举)提供了一种类型安全的方式来定义一组命名常量。与传统的(无作用域)枚举不同,enum class 不会隐式转换为整数或其他类型,从而防止了意外的误用。下面是一个基本示例:
  • #include
    enum class Color {    Red,    Green,    Blue};
    int main() {        Color color = Color::Red;
        if (color == Color::Red)        std::cout "The color is red.
    ";
        color = Color::Blue;
        if (color == Color::Blue)        std::cout "The color is blue.
    ";
        // std::cout     // int i = color;      // error: cannot convert}注意,在 main 函数的末尾有两行代码。由于没有隐式转换为整数类型,因此会出现编译器错误。
    作为对比,下面是一个类似的例子,但使用的是无作用域枚举:
  • #include
    enum Color {    Red,    Green,    Blue};
    int main() {        Color color = Red;
        if (color == Red)        std::cout "The color is red.
    ";
        color = Blue;
        if (color == Blue)        std::cout "The color is blue.
    ";
        std::cout // fine, prints integer value!    int i = color;      // fine, can convert...}简而言之,enum class 为所有枚举值提供了单独的作用域,同时也加强了类型安全。没有隐式的整数转换,这样你就能更好地控制设计。
    以上的基础部分很简单,接下来让我们来看看最新 C++ 版本中的一些实用改进。

    2、C++17:使用大括号初始化基础类型
    有时候,enum class 可能显得过于限制,某些情况下的转换可能会很方便。
    在 C++17 中,P0138 提案被接受,以下是其中的一个示例:
  • enum class Handle : uint32_t { Invalid = 0 }; Handle h { 42 }; // OK简而言之,当你使用 enum class 来定义强类型时,允许从基础类型进行初始化而不产生任何错误——这在 C++17 之前是无法实现的。
    这个变化仍能确保枚举仍然是安全的,因为它们只能用于统一/大括号初始化。请看看下面的代码:
  • #include
    enum class Handle : uint32_t { Invalid = 0 };
    void process(Handle h) {
    }
    int main() {        Handle h { 42 }; // OK
        // process({10}); // error    process(Handle{10});}你不能直接将 {10} 作为 process 函数的参数,仍需要明确指定类型。
    在 C++14 中,你可以使用 process(static_cast(10));——如你所见,C++17 版本的改进要好得多。

    3、C++20:使用 using enum
    C++20 引入了 using enum 语法,这个特性允许你将一个枚举的所有枚举值引入当前作用域,同时不失去作用域枚举的优点。请看下面的示例:
  • enum class ComputeStatus {    Ok,    Error,    FileError,    NotEnoughMemory,    TimeExceeded,    Unknown};在早期的 C++ 版本中,使用这些枚举值时,需要使用枚举类的名称进行限定:
  • ComputeStatus s = ComputeStatus::NotEnoughMemory;C++20 通过 using enum 声明简化了这一点:
  • int main() {    using enum ComputeStatus;    ComputeStatus s = NotEnoughMemory;}上面的简单代码可能没什么实际意义,但看看下面这个例子:
  • int main() {        ComputeStatus s = ComputeStatus::Ok;    switch (s) {        case ComputeStatus::Ok:             std::cout "ok"; break;        case ComputeStatus::Error:             std::cout "Error"; break;        case ComputeStatus::FileError:             std::cout "FileError"; break;        case ComputeStatus::NotEnoughMemory:             std::cout "NotEnoughMemory"; break;        case ComputeStatus::TimeExceeded:             std::cout "Time..."; break;        default: std::cout "unknown...";    }}我们可以将其转换为如下形式:
  • int main() {        ComputeStatus s = ComputeStatus::Ok;    switch (s) {        using enum ComputeStatus;  //         case Ok:             std::cout "ok"; break;        case Error:             std::cout "Error"; break;        case FileError:             std::cout "FileError"; break;        case NotEnoughMemory:             std::cout "NotEnoughMemory"; break;        case TimeExceeded:             std::cout "Time..."; break;        default: std::cout "unknown...";    }}或者,也可以看看下面这个例子:
  • struct ComputeEngine {    enum class ComputeStatus {        Ok,        Error,        FileError,        NotEnoughMemory,        TimeExceeded,        Unknown    };    using enum ComputeStatus;};
    int main() {        ComputeEngine::ComputeStatus s = ComputeEngine::Ok;}你可以将所有枚举值引入 ComputeEngine 的作用域中,同时享受 enum class 带来的类型安全特性。
    C++20 的这一改进使代码更加简洁,并减少了冗余,尤其是在某个作用域内频繁使用多个枚举值的情况下。它提供了一种更加流畅和可读的方式,同时不牺牲作用域枚举所提供的类型安全性。

    4、C++23:std::to_underlying
    C++23 通过引入 std::to_underlying 进一步增强了 enum class 的可用性,这个实用函数可以将枚举值转换为其基础的整型类型,这个特性解决了将枚举值转换为整数以用于存储、比较或与其他期望整型的 API 交互的常见需求。
    这个想法最早出现在 Scott Meyers 的经典著作《Effective Modern C++: 42 Specific Ways to Improve Your Use of C++11 and C++14》一书中。终于在 C++23 中,我们可以享受到这个被标准化的功能。
    在 C++23 之前,将枚举转换为其基础类型需要显式的类型转换:
  • enum class Permissions : uint8_t {    Execute = 1,  Write = 2,    Read = 4};
    uint8_t value = static_castuint8_t>(Permissions::Read);而有了 std::to_underlying,这个转换变得更加直接和清晰:
  • #include
    int main() {    Permissions p = Permissions::Read;    auto value = std::to_underlying(p); // C++23}std::to_underlying 函数提高了代码的可读性,并减少了与类型转换相关的样板代码。它还明确了意图,使得人们能一目了然地知道这是在获取枚举的基础值。

    5、未来的改进
    接下来,一个即将到来的重要更新可能是支持 C++26 反射——可查看提案 P2996(虽然这个提案还未被接受,但预计很快就会获得批准)。反射带来了许多激动人心的可能性,比如将枚举转换为字符串的能力。
    请看提案中的这个例子:
  • template typename E>  requires std::is_enum_vconstexpr std::string enum_to_string(E value) {  template for (constexpr auto e : std::meta::enumerators_of(^E)) {    if (value == [:e:]) {      return std::string(std::meta::name_of(e));    }  }  return "";}
    enum Color { red, green, blue };static_assert(enum_to_string(Color::red) == "red");static_assert(enum_to_string(Color(42)) == "");当然,你也可以不必等到 C++26,依赖第三方库就能体验这个功能,如 Neargye/magic_enum @GitHub。   
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