《Hello C++》4.5 枚举

在前面学习了数组、结构体和共用体之后，我们已经接触了几种能够组织数据的复合类型。数组适合存放同类型的一组数据，结构体适合把不同类型但彼此相关的数据组织在一起，共用体则适合让多个成员共享同一块内存。而这一小节要介绍的枚举[1]，则更像是一种“给有限的取值起名字”的工具。

有时候，程序里会出现一些只允许在固定范围内取值的内容，比如星期、方向、游戏状态、菜单选项、交通信号灯状态等。对于这类数据，如果直接用数字表示，程序会显得很难读；如果改用有意义的名字，代码就会清楚很多。枚举就是为这种需求准备的。

4.5.1 枚举的基本概念

枚举（enumeration）是一种用户自定义的数据类型，它允许你把一组有名字的整型常量组织在一起。换句话说，枚举类型定义了一组可能的取值，而这些取值通常都很有限。

例如，一个“星期”的概念通常只有 7 个值。与其在程序里写 1、2、3 这样不直观的数字，不如把它们定义成 Monday、Tuesday、Wednesday 之类的名字。这样一来，代码本身就会更容易理解。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
enum WeekDay
{
    Monday,
    Tuesday,
    Wednesday,
    Thursday,
    Friday,
    Saturday,
    Sunday
};

这段代码定义了一个名为 WeekDay 的枚举类型。花括号里的每一个名字都叫做枚举值[2]。默认情况下，C++ 会从 0 开始给这些枚举值编号，所以 Monday 的值是 0，Tuesday 的值是 1，以此类推。

4.5.2 枚举变量的使用

定义好枚举之后，就可以像使用普通类型一样声明枚举变量。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
#include <iostream>
using namespace std;

enum WeekDay
{
    Monday,
    Tuesday,
    Wednesday,
    Thursday,
    Friday,
    Saturday,
    Sunday
};

int main()
{
    WeekDay today = Wednesday;
    cout << today << endl;

    return 0;
}

在这段代码里，today 的类型是 WeekDay，它当前的值是 Wednesday。如果直接输出 today，很多编译环境下实际显示的是对应的整数值，也就是 2，因为枚举本质上还是一种整型类型。

这说明了一个很重要的特点：枚举的价值不在于它能表示数字，而在于它能让数字有名字。程序员看到 Wednesday，会比看到 2 更容易理解。

4.5.3 枚举与 switch

枚举和 switch 常常会一起使用，因为枚举的值本身就是一组有限的离散选项，而 switch 也正适合处理这种情况。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
#include <iostream>
using namespace std;

enum TrafficLight
{
    Red,
    Yellow,
    Green
};

int main()
{
    TrafficLight light = Yellow;

    switch (light)
    {
        case Red:
            cout << "Stop" << endl;
            break;
        case Yellow:
            cout << "Wait" << endl;
            break;
        case Green:
            cout << "Go" << endl;
            break;
    }

    return 0;
}

这段代码的意思很直观：如果信号灯是红灯，就停下；如果是黄灯，就等待；如果是绿灯，就前进。枚举把“状态”变成了有名字的值，switch 则负责根据这个值选择对应的处理方式。这种写法比直接拿 0、1、2 去判断要清楚得多，也更情况下也不容易写错。

4.5.4 枚举值的显式赋值

枚举值并不一定非要按默认顺序从 0 开始。你也可以给它们指定具体的数值。

1
2
3
4
5
6
enum ErrorCode
{
    OK = 0,
    FileNotFound = 404,
    PermissionDenied = 403
};

这样写以后，OK、FileNotFound 和 PermissionDenied 就分别对应了你指定的整数值。这个特性在和系统状态码、协议编号、错误码打交道时非常方便。如果没有显式指定后续值，编译器会在前一个值的基础上自动加 1。

1
2
3
4
5
6
enum Level
{
    Low = 1,
    Medium,
    High
};

这里 Low 是 1，Medium 是 2，High 是 3。

4.5.5 传统枚举的特点与问题

传统枚举的优点很明显：写法简单、语义清楚、和 switch 配合自然。不过，它也有一些值得注意的地方。

首先，传统枚举的枚举值会“泄露”到外层作用域中。也就是说，如果你定义了多个枚举，它们的枚举值名字可能发生冲突。其次，传统枚举会隐式转换为整型，这有时会让类型检查不够严格。比如某些地方本来只想接受某个枚举类型，却可能意外接受了整数。这也是为什么现代 C++ 更推荐使用 enum class。

4.5.6 enum class

enum class 是 C++11 引入的强类型枚举[3]，它比传统枚举更安全，也更不容易发生名字冲突。

1
2
3
4
5
6
enum class Color
{
    Red,
    Green,
    Blue
};

和传统枚举不同，enum class 的枚举值不会直接暴露到外层作用域中。也就是说，你在使用时要写成：

1
Color c = Color::Red;

这样可以明确告诉读者：Red 属于 Color 这个枚举类型，而不是一个随处可见的普通名字。这带来的好处是显而易见的。第一，作用域更清晰；第二，类型检查更严格；第三，代码更不容易冲突。对于现代 C++ 来说，这是更推荐的写法。

4.5.7 枚举的适用场景

枚举特别适合表达“有限个、固定的、彼此独立的状态或选项”。比如：

  • 星期几；
  • 方向；
  • 游戏状态；
  • 菜单编号；
  • 错误码；
  • 交通信号灯状态。

当你发现某个变量只会在几个固定值之间切换时，就可以考虑用枚举来表达它。这样做能让代码更接近真实含义，也能减少使用魔法数字[4]带来的混乱。例如，下面这个例子就比直接写数字更容易理解：

1
2
3
4
5
6
7
enum GameState
{
    Start,
    Playing,
    Paused,
    GameOver
};

以后看到 GameOver，你立刻就知道它表示“游戏结束”，而不是一个不明所以的数字 3。

4.5.8 小结

枚举是一种非常实用的类型，它把一组有限的值变成了有名字的常量。对于那些“只有几种固定状态”的问题，枚举往往比直接使用整数更清楚、更安全，也更容易维护。

如果说数组帮助我们管理“一组相同类型的数据”，结构体帮助我们组织“多个相关的数据项”，那么枚举就是帮助我们管理“有限的状态和选项”。它看起来很小，但在程序设计里却非常常见。后面学习流程控制时，你会发现枚举和 switch 的组合几乎是天生一对；而在更复杂的程序中，枚举也常常用来描述状态机、配置选项和错误码。

  1. 枚举（enumeration），是一种把有限个名字对应到整数值的类型。 ↩︎

  2. 枚举值（enumerator），是枚举类型中的每一个成员名字。 ↩︎

  3. 强类型枚举（scoped enum），即 enum class，是 C++11 引入的改进形式。 ↩︎

  4. 魔法数字（magic number），指代码中直接出现、含义不明显的数字常量。 ↩︎