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。

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;
};

最简单的方法如下所示，使用标准库类bitset。

为了以一种类型安全的方式模拟c#特性，您必须编写一个模板包装器来封装bitset，将int参数替换为模板的类型参数枚举。喜欢的东西:

    template <class T, int N>
class FlagSet
{

    bitset<N> bits;

    FlagSet(T enumVal)
    {
        bits.set(enumVal);
    }

    // etc.
};

enum MyFlags
{
    FLAG_ONE,
    FLAG_TWO
};

FlagSet<MyFlags, 2> myFlag;

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;

“正确”的方法是为枚举定义位操作符，如下所示:

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

inline AnimalFlags operator|(AnimalFlags a, AnimalFlags b)
{
    return static_cast<AnimalFlags>(static_cast<int>(a) | static_cast<int>(b));
}

等等，其余的位操作符。如果枚举范围超过int range，则根据需要修改。

另一个宏解决方案，但与现有的答案不同，它没有使用reinterpret_cast(或C-cast)在enum&t和Int&之间进行强制转换，这在标准c++中是禁止的(参见本文)。

#define MAKE_FLAGS_ENUM(TEnum, TUnder)                                                                                             \
TEnum  operator~  ( TEnum  a          ) { return static_cast<TEnum> (~static_cast<TUnder> (a)                           ); }  \
TEnum  operator|  ( TEnum  a, TEnum b ) { return static_cast<TEnum> ( static_cast<TUnder> (a) |  static_cast<TUnder>(b) ); }  \
TEnum  operator&  ( TEnum  a, TEnum b ) { return static_cast<TEnum> ( static_cast<TUnder> (a) &  static_cast<TUnder>(b) ); }  \
TEnum  operator^  ( TEnum  a, TEnum b ) { return static_cast<TEnum> ( static_cast<TUnder> (a) ^  static_cast<TUnder>(b) ); }  \
TEnum& operator|= ( TEnum& a, TEnum b ) { a = static_cast<TEnum>(static_cast<TUnder>(a) | static_cast<TUnder>(b) ); return a; }  \
TEnum& operator&= ( TEnum& a, TEnum b ) { a = static_cast<TEnum>(static_cast<TUnder>(a) & static_cast<TUnder>(b) ); return a; }  \
TEnum& operator^= ( TEnum& a, TEnum b ) { a = static_cast<TEnum>(static_cast<TUnder>(a) ^ static_cast<TUnder>(b) ); return a; }

失去reinterpret_cast意味着我们不能再依赖x |= y语法，但是通过将这些扩展为x = x | y形式，我们就不再需要它了。

注意:你可以使用std::underlying_type来获取TUnder，为了简洁，我没有包括它。