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enum类型的本质

Posted on 2007-06-05 16:20 chemz阅读(8519) 评论(9)  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：sunSPARC），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：
           enumEType { e1 = 0, e2 };
           void func1( EType e )
           {
              if ( e == e1 )
               {
                   // dosomething
               }
               // 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( 2  ) );
           func2(static_cast( -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。