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。

下面是我的解决方案，不需要任何一堆重载或强制转换:

namespace EFoobar
{
    enum
    {
        FB_A    = 0x1,
        FB_B    = 0x2,
        FB_C    = 0x4,
    };
    typedef long Flags;
}

void Foobar(EFoobar::Flags flags)
{
    if (flags & EFoobar::FB_A)
        // do sth
        ;
    if (flags & EFoobar::FB_B)
        // do sth
        ;
}

void ExampleUsage()
{
    Foobar(EFoobar::FB_A | EFoobar::FB_B);
    EFoobar::Flags otherflags = 0;
    otherflags|= EFoobar::FB_B;
    otherflags&= ~EFoobar::FB_B;
    Foobar(otherflags);
}

我认为这是可以的，因为我们无论如何都会识别(非强类型)枚举和整数。

只是作为一个(较长的)边注，如果你

要使用强类型枚举和 不需要重一点摆弄你的旗帜 性能不是问题

我会想到这个:

#include <set>

enum class EFoobarFlags
{
    FB_A = 1,
    FB_B,
    FB_C,
};

void Foobar(const std::set<EFoobarFlags>& flags)
{
    if (flags.find(EFoobarFlags::FB_A) != flags.end())
        // do sth
        ;
    if (flags.find(EFoobarFlags::FB_B) != flags.end())
        // do sth
        ;
}

void ExampleUsage()
{
    Foobar({EFoobarFlags::FB_A, EFoobarFlags::FB_B});
    std::set<EFoobarFlags> otherflags{};
    otherflags.insert(EFoobarFlags::FB_B);
    otherflags.erase(EFoobarFlags::FB_B);
    Foobar(otherflags);
}

使用c++ 11初始化列表和枚举类。

下面是一个c++ 11的惰性解决方案，它不改变枚举的默认行为。它也适用于enum struct和enum class，并且是constexpr。

#include <type_traits>

template<class T = void> struct enum_traits {};

template<> struct enum_traits<void> {
    struct _allow_bitops {
        static constexpr bool allow_bitops = true;
    };
    using allow_bitops = _allow_bitops;

    template<class T, class R = T>
    using t = typename std::enable_if<std::is_enum<T>::value and
        enum_traits<T>::allow_bitops, R>::type;

    template<class T>
    using u = typename std::underlying_type<T>::type;
};

template<class T>
constexpr enum_traits<>::t<T> operator~(T a) {
    return static_cast<T>(~static_cast<enum_traits<>::u<T>>(a));
}
template<class T>
constexpr enum_traits<>::t<T> operator|(T a, T b) {
    return static_cast<T>(
        static_cast<enum_traits<>::u<T>>(a) |
        static_cast<enum_traits<>::u<T>>(b));
}
template<class T>
constexpr enum_traits<>::t<T> operator&(T a, T b) {
    return static_cast<T>(
        static_cast<enum_traits<>::u<T>>(a) &
        static_cast<enum_traits<>::u<T>>(b));
}
template<class T>
constexpr enum_traits<>::t<T> operator^(T a, T b) {
    return static_cast<T>(
        static_cast<enum_traits<>::u<T>>(a) ^
        static_cast<enum_traits<>::u<T>>(b));
}
template<class T>
constexpr enum_traits<>::t<T, T&> operator|=(T& a, T b) {
    a = a | b;
    return a;
}
template<class T>
constexpr enum_traits<>::t<T, T&> operator&=(T& a, T b) {
    a = a & b;
    return a;
}
template<class T>
constexpr enum_traits<>::t<T, T&> operator^=(T& a, T b) {
    a = a ^ b;
    return a;
}

为枚举启用位操作符:

enum class my_enum {
    Flag1 = 1 << 0,
    Flag2 = 1 << 1,
    Flag3 = 1 << 2,
    // ...
};

// The magic happens here
template<> struct enum_traits<my_enum> :
    enum_traits<>::allow_bitops {};

constexpr my_enum foo = my_enum::Flag1 | my_enum::Flag2 | my_enum::Flag3;

在我看来，到目前为止没有一个答案是理想的。理想的解决方案是:

支持==，!=，=，&，&=，|，|=和~运算符 意义(即a和b) 类型安全，即不允许分配非枚举值，如字面量或整数类型(枚举值的按位组合除外)，或允许将枚举变量分配给整数类型 允许使用if (a & b)… 不需要邪恶的宏，实现特定的功能或其他hack

到目前为止，大多数解都停留在第2点或第3点上。WebDancer在我看来是封闭的，但在第3点失败了，需要在每个枚举中重复。

我提出的解决方案是WebDancer的一个广义版本，也解决了第3点:

#include <cstdint>
#include <type_traits>

template<typename T, typename = typename std::enable_if<std::is_enum<T>::value, T>::type>
class auto_bool
{
    T val_;
public:
    constexpr auto_bool(T val) : val_(val) {}
    constexpr operator T() const { return val_; }
    constexpr explicit operator bool() const
    {
        return static_cast<std::underlying_type_t<T>>(val_) != 0;
    }
};

template <typename T, typename = typename std::enable_if<std::is_enum<T>::value, T>::type>
constexpr auto_bool<T> operator&(T lhs, T rhs)
{
    return static_cast<T>(
        static_cast<typename std::underlying_type<T>::type>(lhs) &
        static_cast<typename std::underlying_type<T>::type>(rhs));
}

template <typename T, typename = typename std::enable_if<std::is_enum<T>::value, T>::type>
constexpr T operator|(T lhs, T rhs)
{
    return static_cast<T>(
        static_cast<typename std::underlying_type<T>::type>(lhs) |
        static_cast<typename std::underlying_type<T>::type>(rhs));
}

enum class AnimalFlags : uint8_t 
{
    HasClaws = 1,
    CanFly = 2,
    EatsFish = 4,
    Endangered = 8
};

enum class PlantFlags : uint8_t
{
    HasLeaves = 1,
    HasFlowers = 2,
    HasFruit = 4,
    HasThorns = 8
};

int main()
{
    AnimalFlags seahawk = AnimalFlags::CanFly;        // Compiles, as expected
    AnimalFlags lion = AnimalFlags::HasClaws;         // Compiles, as expected
    PlantFlags rose = PlantFlags::HasFlowers;         // Compiles, as expected
//  rose = 1;                                         // Won't compile, as expected
    if (seahawk != lion) {}                           // Compiles, as expected
//  if (seahawk == rose) {}                           // Won't compile, as expected
//  seahawk = PlantFlags::HasThorns;                  // Won't compile, as expected
    seahawk = seahawk | AnimalFlags::EatsFish;        // Compiles, as expected
    lion = AnimalFlags::HasClaws |                    // Compiles, as expected
           AnimalFlags::Endangered;
//  int eagle = AnimalFlags::CanFly |                 // Won't compile, as expected
//              AnimalFlags::HasClaws;
//  int has_claws = seahawk & AnimalFlags::CanFly;    // Won't compile, as expected
    if (seahawk & AnimalFlags::CanFly) {}             // Compiles, as expected
    seahawk = seahawk & AnimalFlags::CanFly;          // Compiles, as expected

    return 0;
}

This creates overloads of the necessary operators but uses SFINAE to limit them to enumerated types. Note that in the interests of brevity I haven't defined all of the operators but the only one that is any different is the &. The operators are currently global (i.e. apply to all enumerated types) but this could be reduced either by placing the overloads in a namespace (what I do), or by adding additional SFINAE conditions (perhaps using particular underlying types, or specially created type aliases). The underlying_type_t is a C++14 feature but it seems to be well supported and is easy to emulate for C++11 with a simple template<typename T> using underlying_type_t = underlying_type<T>::type;

编辑:我纳入了弗拉基米尔·阿菲内洛建议的变化。用GCC 10、CLANG 13和Visual Studio 2022测试。

我想详细说明Uliwitness的回答，为c++ 98修复他的代码，并使用Safe Bool习语，因为在c++ 11以下的c++版本中缺少std::underlying_type<>模板和显式关键字。

我还修改了它，使枚举值可以是连续的，而不需要任何显式的赋值，因此您可以有

enum AnimalFlags_
{
    HasClaws,
    CanFly,
    EatsFish,
    Endangered
};
typedef FlagsEnum<AnimalFlags_> AnimalFlags;

seahawk.flags = AnimalFlags() | CanFly | EatsFish | Endangered;

然后，您可以获得原始标志值

seahawk.flags.value();

这是代码。

template <typename EnumType, typename Underlying = int>
class FlagsEnum
{
    typedef Underlying FlagsEnum::* RestrictedBool;

public:
    FlagsEnum() : m_flags(Underlying()) {}

    FlagsEnum(EnumType singleFlag):
        m_flags(1 << singleFlag)
    {}

    FlagsEnum(const FlagsEnum& original):
        m_flags(original.m_flags)
    {}

    FlagsEnum& operator |=(const FlagsEnum& f) {
        m_flags |= f.m_flags;
        return *this;
    }

    FlagsEnum& operator &=(const FlagsEnum& f) {
        m_flags &= f.m_flags;
        return *this;
    }

    friend FlagsEnum operator |(const FlagsEnum& f1, const FlagsEnum& f2) {
        return FlagsEnum(f1) |= f2;
    }

    friend FlagsEnum operator &(const FlagsEnum& f1, const FlagsEnum& f2) {
        return FlagsEnum(f1) &= f2;
    }

    FlagsEnum operator ~() const {
        FlagsEnum result(*this);
        result.m_flags = ~result.m_flags;
        return result;
    }

    operator RestrictedBool() const {
        return m_flags ? &FlagsEnum::m_flags : 0;
    }

    Underlying value() const {
        return m_flags;
    }

protected:
    Underlying  m_flags;
};

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;