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enum类型的本质

Posted on 2007-06-05 16:20 chemz 阅读(20318) 评论(10)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++
                                 enum类型的本质
    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,
具体参见后续的文章。

Feedback

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2007-06-05 17:42 by walkspeed
逻辑清晰,表达清楚,容易阅读。
作者的勤于思考和乐于实践和总结的精神值得大家学习。

多些原创好。

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2007-06-05 23:53 by silentfish
很清晰,很全面:感谢1

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2008-06-25 11:13 by d.k
赞一个。。。

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2008-08-08 10:54 by calmspeaker
感谢您的文章,受益匪浅
我没有找到您的关于“POD类型和类类型”的文章,十分想拜读一下。

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2008-10-10 11:05 by laoda
不错,支持原创,支持精品

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2008-10-10 13:59 by
相当精彩,支持作者的思考,感谢作者的分享

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2009-08-07 18:43 by
文章不错,吊人胃口不是好习惯.

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2009-08-07 18:44 by
有没有见过此种BT的用法?我反正是不明白.还请赐教.
class CBase
{
public:
enum MyBaseEnum;
};
class CDevBase: public CBase
{
public:
extern enum CBase::MyBaseEnum
{
MBE_1 = 0,
};
};

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2010-05-15 16:16 by parser
正好遇到一个相关的问题就google到楼主了,讲得很清楚,赞一个!飘走

# re: enum类型的本质  回复  更多评论   

2015-01-07 21:23 by 寻水的骆驼
作者思考的很深入很仔细

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