面试题：C++枚举类型的底层实现及与其他类型的转换技巧

Question

请详细说明C++枚举类型在底层是如何存储的，以及如何安全地将枚举类型转换为整数类型和从整数类型转换回枚举类型。编写代码示例展示这些转换过程，并阐述在转换过程中可能遇到的风险以及如何避免。此外，在C++11引入了强类型枚举（enum class）后，与传统枚举相比，在类型安全性和底层存储等方面有哪些变化？

Answer 1

C++枚举类型底层存储

在C++中，枚举类型（enum）的底层存储是整数类型。编译器会为枚举成员分配整数值，默认从0开始，依次递增。如果手动指定了某个枚举成员的值，后续成员的值会在此基础上依次递增。例如：

enum Color {
    RED = 1,
    GREEN,
    BLUE
};
// 这里GREEN的值为2，BLUE的值为3

编译器会选择一个足够表示所有枚举值的整数类型来存储枚举变量。通常情况下，会选择int，但如果枚举值范围较小，也可能选择char等更小的整数类型。

枚举类型与整数类型的转换

1. 枚举类型转换为整数类型：可以直接进行隐式转换，因为枚举类型本质上就是整数类型的一种受限形式。例如：

enum Weekday {
    MONDAY,
    TUESDAY,
    WEDNESDAY
};
Weekday today = MONDAY;
int num = today; // 隐式转换为整数类型

2. 整数类型转换回枚举类型：需要进行显式转换，因为整数类型的值可能不在枚举值的范围内。例如：

int value = 2;
Weekday day = static_cast<Weekday>(value);

转换过程中的风险及避免方法

1. 风险：将整数类型转换为枚举类型时，如果整数的值不在枚举定义的范围内，会导致未定义行为。例如：

int wrongValue = 10;
Weekday wrongDay = static_cast<Weekday>(wrongValue); // 未定义行为

2. 避免方法：在进行转换之前，可以先检查整数的值是否在枚举值的范围内。例如：

int value = 2;
if (value >= static_cast<int>(MONDAY) && value <= static_cast<int>(WEDNESDAY)) {
    Weekday day = static_cast<Weekday>(value);
} else {
    // 处理错误情况
}

C++11强类型枚举（enum class）与传统枚举的区别

1. 类型安全性：
   • 传统枚举：传统枚举的作用域是全局的，不同枚举类型的枚举成员如果名字相同会产生冲突。而且传统枚举可以隐式转换为整数类型，可能导致类型安全问题。
   • 强类型枚举（enum class）：强类型枚举有自己的作用域，不同enum class的枚举成员名字不会冲突。并且enum class不会隐式转换为整数类型，需要显式转换，提高了类型安全性。例如：

enum class Fruit {
    APPLE,
    BANANA
};
enum class Vegetable {
    CARROT,
    POTATO
};
// 以下代码会报错，因为不同enum class枚举成员不会隐式转换
// Fruit f = Vegetable::CARROT; 
// 必须显式转换
Fruit f = static_cast<Fruit>(static_cast<int>(Vegetable::CARROT)); 

2. 底层存储：
   • 传统枚举：底层存储类型由编译器决定，通常为int，但可能根据枚举值范围选择其他整数类型。
   • 强类型枚举（enum class）：默认底层存储类型也是int，但可以显式指定底层存储类型。例如：

enum class SmallEnum : char {
    VALUE1,
    VALUE2
};

这样SmallEnum的底层存储类型就是char，可以节省内存空间。