c++ 20类型安全Enum操作符

博士TL;

template<typename T>
requires std::is_enum_v<T> and
         requires (std::underlying_type_t<T> x) {
             { x | x } -> std::same_as<std::underlying_type_t<T>>;
             T(x);
         }
T operator|(T left, T right)
{
    using U = std::underlying_type_t<T>;
    return T( U(left) | U(right) );
}

template<typename T>
requires std::is_enum_v<T> and
         requires (std::underlying_type_t<T> x) {
             { x | x } -> std::same_as<std::underlying_type_t<T>>;
             T(x);
         }
T operator&(T left, T right)
{
    using U = std::underlying_type_t<T>;
    return T( U(left) & U(right) );
}

template<typename T>
requires std::is_enum_v<T> and requires (T x) { { x | x } -> std::same_as<T>; }
T & operator|=(T &left, T right)
{
    return left = left | right;
}

template<typename T>
requires std::is_enum_v<T> and requires (T x) { { x & x } -> std::same_as<T>; }
T & operator&=(T &left, T right)
{
    return left = left & right;
}

基本原理

使用类型特征std::is_enum，我们可以测试一些类型T是否为枚举类型。 这包括无作用域和有作用域的枚举(即enum和enum类)。 使用类型trait std::underlying_type，我们可以得到枚举的底层类型。 使用c++ 20的概念和约束，很容易为按位操作提供重载。

有作用域和无作用域

如果操作只应该重载有作用域或无作用域的枚举，std::is_scoped_enum可以用于相应地扩展模板约束。

c++ 23

在c++ 23中，我们使用std::to_underlying来更容易地将枚举值转换为其底层类型。

移动语义和完善转发

如果你遇到了一种奇怪的情况，即你的底层类型对于copy和move有不同的语义，或者它不提供复制c'tor，那么你应该使用std::forward对操作数进行完美的转发。

这里有一个位掩码的选项，如果你实际上不需要使用单个枚举值(例如，你不需要关闭它们)…如果你不担心保持二进制兼容性，即:你不关心你的位在哪里…你可能就是这样。此外，您最好不要过于关注范围和访问控制。嗯，枚举对于位域有一些不错的属性…不知道是否有人尝试过:)

struct AnimalProperties
{
    bool HasClaws : 1;
    bool CanFly : 1;
    bool EatsFish : 1;
    bool Endangered : 1;
};

union AnimalDescription
{
    AnimalProperties Properties;
    int Flags;
};

void TestUnionFlags()
{
    AnimalDescription propertiesA;
    propertiesA.Properties.CanFly = true;

    AnimalDescription propertiesB = propertiesA;
    propertiesB.Properties.EatsFish = true;

    if( propertiesA.Flags == propertiesB.Flags )
    {
        cout << "Life is terrible :(";
    }
    else
    {
        cout << "Life is great!";
    }

    AnimalDescription propertiesC = propertiesA;
    if( propertiesA.Flags == propertiesC.Flags )
    {
        cout << "Life is great!";
    }
    else
    {
        cout << "Life is terrible :(";
    }
}

我们可以看到生命是伟大的，我们有离散的值，我们有一个漂亮的int到&和|到我们的心内容，它仍然有它的位的含义的上下文。一切都是一致的和可预测的……对我来说……只要我继续使用微软的vc++编译器w/ Update 3在Win10 x64上，不碰我的编译器标志:)

Even though everything is great... we have some context as to the meaning of flags now, since its in a union w/ the bitfield in the terrible real world where your program may be be responsible for more than a single discrete task you could still accidentally (quite easily) smash two flags fields of different unions together (say, AnimalProperties and ObjectProperties, since they're both ints), mixing up all yours bits, which is a horrible bug to trace down... and how I know many people on this post don't work with bitmasks very often, since building them is easy and maintaining them is hard.

class AnimalDefinition {
public:
    static AnimalDefinition *GetAnimalDefinition( AnimalFlags flags );   //A little too obvious for my taste... NEXT!
    static AnimalDefinition *GetAnimalDefinition( AnimalProperties properties );   //Oh I see how to use this! BORING, NEXT!
    static AnimalDefinition *GetAnimalDefinition( int flags ); //hmm, wish I could see how to construct a valid "flags" int without CrossFingers+Ctrl+Shift+F("Animal*"). Maybe just hard-code 16 or something?

    AnimalFlags animalFlags;  //Well this is *way* too hard to break unintentionally, screw this!
    int flags; //PERFECT! Nothing will ever go wrong here... 
    //wait, what values are used for this particular flags field? Is this AnimalFlags or ObjectFlags? Or is it RuntimePlatformFlags? Does it matter? Where's the documentation? 
    //Well luckily anyone in the code base and get confused and destroy the whole program! At least I don't need to static_cast anymore, phew!

    private:
    AnimalDescription m_description; //Oh I know what this is. All of the mystery and excitement of life has been stolen away :(
}

因此，然后你让你的联合声明私有，以防止直接访问“Flags”，并必须添加getter /setter和操作符重载，然后为所有这些做一个宏，你基本上回到你开始的地方，当你试图用Enum来做这件事。

不幸的是，如果你想要你的代码是可移植的，我不认为有任何方法可以A)保证位布局或B)在编译时确定位布局(这样你就可以跟踪它，至少纠正跨版本/平台等的变化) 带位字段的结构中的偏移量

在运行时，你可以玩一些技巧，设置字段和XORing标志，看看哪些位发生了变化，听起来对我来说很糟糕，尽管有一个100%一致的，平台独立的，完全确定的解决方案，即:ENUM。

TL;DR: Don't listen to the haters. C++ is not English. Just because the literal definition of an abbreviated keyword inherited from C might not fit your usage doesn't mean you shouldn't use it when the C and C++ definition of the keyword absolutely includes your use case. You can also use structs to model things other than structures, and classes for things other than school and social caste. You may use float for values which are grounded. You may use char for variables which are neither un-burnt nor a person in a novel, play, or movie. Any programmer who goes to the dictionary to determine the meaning of a keyword before the language spec is a... well I'll hold my tongue there.

如果你确实希望你的代码模仿口语，你最好使用Objective-C编写，顺便说一句，它也大量使用枚举作为位域。

注意，如果你在Windows环境中工作，在winnt.h中定义了一个DEFINE_ENUM_FLAG_OPERATORS宏来为你做这项工作。在这种情况下，你可以这样做:

enum AnimalFlags
{
    HasClaws = 1,
    CanFly =2,
    EatsFish = 4,
    Endangered = 8
};
DEFINE_ENUM_FLAG_OPERATORS(AnimalFlags)

seahawk.flags = CanFly | EatsFish | Endangered;

我使用以下宏:

#define ENUM_FLAG_OPERATORS(T)                                                                                                                                            \
    inline T operator~ (T a) { return static_cast<T>( ~static_cast<std::underlying_type<T>::type>(a) ); }                                                                       \
    inline T operator| (T a, T b) { return static_cast<T>( static_cast<std::underlying_type<T>::type>(a) | static_cast<std::underlying_type<T>::type>(b) ); }                   \
    inline T operator& (T a, T b) { return static_cast<T>( static_cast<std::underlying_type<T>::type>(a) & static_cast<std::underlying_type<T>::type>(b) ); }                   \
    inline T operator^ (T a, T b) { return static_cast<T>( static_cast<std::underlying_type<T>::type>(a) ^ static_cast<std::underlying_type<T>::type>(b) ); }                   \
    inline T& operator|= (T& a, T b) { return reinterpret_cast<T&>( reinterpret_cast<std::underlying_type<T>::type&>(a) |= static_cast<std::underlying_type<T>::type>(b) ); }   \
    inline T& operator&= (T& a, T b) { return reinterpret_cast<T&>( reinterpret_cast<std::underlying_type<T>::type&>(a) &= static_cast<std::underlying_type<T>::type>(b) ); }   \
    inline T& operator^= (T& a, T b) { return reinterpret_cast<T&>( reinterpret_cast<std::underlying_type<T>::type&>(a) ^= static_cast<std::underlying_type<T>::type>(b) ); }

它类似于上面提到的那些，但有几个改进:

它是类型安全的(它不假设基础类型是int型) 它不需要手动指定底层类型(与@LunarEclipse的答案相反)

它需要包含type_traits:

#include <type_traits>

我发现自己也在问同样的问题，并提出了一个基于c++ 11的通用解决方案，类似于soru的方案:

template <typename TENUM>
class FlagSet {

private:
    using TUNDER = typename std::underlying_type<TENUM>::type;
    std::bitset<std::numeric_limits<TUNDER>::max()> m_flags;

public:
    FlagSet() = default;

    template <typename... ARGS>
    FlagSet(TENUM f, ARGS... args) : FlagSet(args...)
    {   
        set(f);
    }   
    FlagSet& set(TENUM f)
    {   
        m_flags.set(static_cast<TUNDER>(f));
        return *this;
    }   
    bool test(TENUM f)
    {   
        return m_flags.test(static_cast<TUNDER>(f));
    }   
    FlagSet& operator|=(TENUM f)
    {   
        return set(f);
    }   
};

界面可以根据口味进行改进。那么它可以这样使用:

FlagSet<Flags> flags{Flags::FLAG_A, Flags::FLAG_C};
flags |= Flags::FLAG_D;

海鹰是什么类型的?标志变量?

在标准c++中，枚举不是类型安全的。它们是有效的整数。

AnimalFlags不应该是变量的类型。你的变量应该是int，错误就会消失。

不需要像其他人建议的那样输入十六进制值。这没什么区别。

enum值默认为int类型。所以你当然可以将它们按位或组合在一起并将结果存储在int类型中。

枚举类型是int的一个受限子集，其值是它的枚举值之一。因此，当您在该范围之外创建一些新值时，如果不将其强制转换为枚举类型的变量，则不能将其赋值。

如果愿意，还可以更改枚举值类型，但这个问题没有意义。

编辑:发帖者说他们关心类型安全，他们不想要一个不应该存在于int类型中的值。

但是在AnimalFlags类型的变量中放置一个超出AnimalFlags范围的值是类型不安全的。

有一种安全的方法来检查超出范围的值，尽管是在int类型内…

int iFlags = HasClaws | CanFly;
//InvalidAnimalFlagMaxValue-1 gives you a value of all the bits 
// smaller than itself set to 1
//This check makes sure that no other bits are set.
assert(iFlags & ~(InvalidAnimalFlagMaxValue-1) == 0);

enum AnimalFlags {
    HasClaws = 1,
    CanFly =2,
    EatsFish = 4,
    Endangered = 8,

    // put new enum values above here
    InvalidAnimalFlagMaxValue = 16
};

上面所述并不能阻止您从值为1、2、4或8的不同enum中放置无效标志。

如果你想要绝对的类型安全，那么你可以简单地创建一个std::set并将每个标志存储在里面。它没有空间效率，但它是类型安全的，并为您提供了与bitflag int相同的功能。

c++ 0x注意:强类型枚举

在c++ 0x中，您终于可以拥有类型安全的enum值....

enum class AnimalFlags {
    CanFly = 2,
    HasClaws = 4
};

if(CanFly == 2) { }//Compiling error