C++：新枚举与新结构

一、枚举

（一）C枚举？真整数！

考虑下面的程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef enum  {spring, summer, autumn, winter} Season;

void printSeason(Season season){
	
	switch(season){
		case spring:
			printf("spring");
			break;
		case summer:
			printf("summer");
			break;
		case autmn:
			printf("autmn");
			break;
		case winter:
			printf("winter");
			break;
		default:
			printf("Not Season");
	}
}

int main() {

	printSeason(0);
	
	return 0;

}

因为 $spring$ 就相当于 $0$ ，所以完全没问题，可是这完全不符合语义，并且，如果仔细看，我写错了一个季节，这样我还不如写数字，另外，如果我想得到枚举的字面字符串，我必须还得像这样打印，这些在C++必须有所改变。

（二）改进C枚举

1、更严格的类型检查

在 C++ 中，枚举类型（enum class）引入了更严格的类型检查机制，与 C 语言的枚举相比，这是一个显著的改进。在 C 语言中，枚举值可以被隐式地转换为整数，这可能导致意外的类型错误。而 C++ 的枚举类则避免了这种情况，它不会自动转换为整数类型，只有通过显式的类型转换才能进行转换。这种严格的类型检查增强了代码的安全性，减少了由于类型不匹配而导致的错误。

比如

#include <iostream>

enum Color { RED, GREEN, BLUE };

void printColor(Color color) {
    switch (color) {
        case RED:
            std::cout << "Red" << std::endl;
            break;
        case GREEN:
            std::cout << "Green" << std::endl;
            break;
        case BLUE:
            std::cout << "Blue" << std::endl;
            break;
        default:
            std::cout << "Unknown color" << std::endl;
            break;
    }
}

int main() {


    printColor(0);
    return 0;

}

2、更灵活的枚举类型设定

C++ 中的枚举类型默认为 $int$ ，但是允许设定其它整型类型，这为编程带来了极大的便利性。

enum Season: unsigned char { SPRING = 'S', SUMMER = 'M', AUTUMN = 'A', WINTER = 'W' };
enum Size: unsigned int { SMALL = 1, MEDIUM = 2, LARGE = 3 };

3、增强的作用域控制

C++ 枚举具有明确的作用域规则，这有效地避免了命名冲突。在 C 语言中，枚举值是全局可见的，可能与其他标识符发生冲突。但在 C++ 的枚举中，枚举值的作用域可以被限制在枚举类内部。

正常情况下，可以像C语言一样引用枚举值，也可以通过枚举的作用域

printColor(RED);  // C style enum
printColor(Color::BLUE);  // C++11 scoped enum

如果想要禁止直接引用枚举值，可以使用枚举类，像是

enum class Color { RED , GREEN, BLUE };

在上面，仅仅 $enum \ name$ 定义的枚举类型称之为 $unscoped \ enumeration \ type$

（非作用域枚举类型），与之相反的是下面的在enum关键字后面加上了class、也可加struct（与class等价），称之为 $scoped \ enumeration \ type$ （作用域枚举类型）。

二、结构体

同样考虑下面的程序

#include <stdio.h>

struct Student {

    char * name;
    int age;
    float gpa;

};

void printStudent(struct  Student s) {

    printf("Name: %s \n", s.name );
    printf("Age: %d \n", s.age);
    printf("GPA: %d \n",s.gpa );

}

int main() {
    
    struct Student s1  = { .name = "John",.age = 20,.gpa = 3.5 };

    printStudent(s1);

    return 0;

}

定义了一个 $Student$ 结构体，还设计了一个操作函数，这两者应当是一体的，但是这仅仅是语义上，在代码层面上，这两者并没有太大关系，最多依赖关系，我们必须手动处理它们之间的关系，在使用C语言设计数据结构的过程中，这点尤其明显，倘若，结构体本身变了，那么所有关联的配套函数可能都要改变。

另一方面，我们设计不了结构体的默认值，它们只能是单纯的基础类型默认值，倘若，我们想要名字默认张三，这点我们做不到。

其次， $struct$ 关键字很突兀，一不小心就忘写了，必须使用 $typedef$ 才能不写，但也不一定。

再者，像是数据结构中，我们一般都在堆内存申请空间，我们必须要手动管理对应的堆空间。

这些都显得C语言的结构体有点笨重。

（一）C++结构体是新类型

在 C++ 中，结构体被明确视为一种新的类型。这与 C 语言存在显著差异。在 C 语言中，结构体更多地被看作是一组数据的集合，而在 C++ 里，结构体具有了更独立和明确的类型特征。这意味着在 C++ 中，可以像使用内置类型一样直接定义结构体变量，无需再使用struct关键字。

struct Student {

    char name[50];
    int age;
    float gpa;

};

void printStudent(Student s) {

    std::cout << "Name: " << s.name << std::endl;
    std::cout << "Age: " << s.age << std::endl;
    std::cout << "GPA: " << s.gpa << std::endl;

}

（二）成员函数的添加

C++ 中的结构体可以包含函数（称之为成员函数member function），这大大增强了结构体的功能性。通过在结构体内部定义成员函数，可以将与数据（结构体内，函数外定义的变量，称之为数据成员data member）相关的操作直接与结构体绑定在一起。

#include <iostream>

struct Student {

    char name[50];
    int age;
    float gpa;
    void printStudent(Student s) {

        std::cout << "Name: " << s.name << std::endl;
        std::cout << "Age: " << s.age << std::endl;
        std::cout << "GPA: " << s.gpa << std::endl;

    }

};



int main() {

    Student s1  = { .name = "John",.age = 20,.gpa = 3.5 };

    s1.printStudent(s1);

    return 0;

}

成员函数能够直接访问结构体的成员变量，使得数据的处理更加紧密和高效。这使得结构体不仅仅是数据的容器，还具备了一定的行为能力，更符合面向对象编程的思想。

（三）隐含指针：this

一般而言，以C语言实现下的数据结构为例，配套的函数都有一个参数是结构体，这点在C语言中很合理，这算是一种手动联系，但是在C++中，既然函数都放进结构体中了，那么还需要手动联系吗？就比如上面的s1.printStudent(s1);就很突兀，所以，C++自动为我们默认提供了这个参数，我们可以通过名为 $this$ 的指针，这个指针指向本身，比如

#include <iostream>

struct Student {

    char name[50];
    int age;
    float gpa;
    void printStudent() {

        std::cout << "Name: " << this->name << std::endl;
        std::cout << "Age: " << this->age << std::endl;
        std::cout << "GPA: " << this->gpa << std::endl;

    }

};



int main() {

    Student s1  = { .name = "John",.age = 20,.gpa = 3.5 };

    s1.printStudent();

    return 0;

}

（四）为了安全：访问控制

C语言数据结构中一般存在一些结构体，都有一个成员用于记录某些状态，比如栈的top指针，这对于栈的相关操作十分关键，但是外部可以轻易改变。

typedef struct {
    int data[MAX_SIZE];
    int top;
} Stack;

我所见过多数的C语言栈的数据结构实现，将对top的检验抛之事外，这相当危险

// 判断栈是否为空
int isEmpty(Stack* stack) {
    return stack->top == -1;
}

// 判断栈是否已满
int isFull(Stack* stack) {
    return stack->top == MAX_SIZE - 1;
}
// 入栈
void push(Stack* stack, int value) {
    if (isFull(stack)) {
        printf("Stack is full.\n");
        return;
    }
    
    stack->top++;
    stack->data[stack->top] = value;
}

将内存安全依赖于自觉性，希冀一切都是正常，是不合理的。当然这也可以在配套函数中检验，但是在某些情况，你无法检验一切，或者说你无法完全不相信所有，你需要相信某一些而去检验另一些。

为此，C++的结构体提供有访问控制，使用三个类似于C语言标签的访问修饰符

修饰符	访问范围
public	默认，在程序任何地方，就像是C语言
protected	只允许结构体内部或者子结构体访问
private	只能在结构体中访问

struct Student {

private:  // private access specifier , can only be accessed within the struct
    char name[50];
    int age;
    float gpa;
public: // public access specifier , can be accessed anywhere in the program
    Student() {
        name[0] = '\0';
        age = 0;
        gpa = 0.0;
        std::cout << "Default Constructor" << std::endl;
    }
    ~Student() {
        std::cout << "Destructor" << std::endl;
    }
    void printStudent() {

        std::cout << "Name: " << this->name << std::endl;
        std::cout << "Age: " << this->age << std::endl;
        std::cout << "GPA: " << this->gpa << std::endl;

    }
protected: // protected access specifier , can be accessed within the class and its derived classes
        int id;

};

（三）自主能力：构造与析构函数

构造函数和析构函数是特殊的成员函数，前者用于在创建对象时初始化对象的数据成员，后者用于在对象销毁时释放对象所占用的资源。

简单来说，定义一个结构体变量时，构造函数被自动调用，当结构体变量消亡，诸如生命周期结束，自动调用析构函数，比如

#include <iostream>

struct Student {

private:  // private access specifier , can only be accessed within the struct
    char name[50];
    int age;
    float gpa;
public: // public access specifier , can be accessed anywhere in the program
    Student() {
        name[0] = '\0';
        age = 0;
        gpa = 0.0;
        std::cout << "Default Constructor" << std::endl;
    }
    ~Student() {
        std::cout << "Destructor" << std::endl;

    }
    void printStudent() {

        std::cout << "Name: " << this->name << std::endl;
        std::cout << "Age: " << this->age << std::endl;
        std::cout << "GPA: " << this->gpa << std::endl;

    }
protected: // protected access specifier , can be accessed within the class and its derived classes
        int id;

};



int main() {

    Student s1 ;

    s1.printStudent();

    return 0;

}

1、初始化问题

无参构造和析构是默认存在的，它们的函数名字固定为前者是结构体名，另一个是~结构体名。

If the constructor is implicitly-declared or explicitly default constructor is not defined as deleted, it is defined (that is, a function body is generated and compiled) by the compiler , and it has the same effect as a user-defined constructor with empty body and empty initializer list.

如果构造函数被隐式声明或显式默认构造函数未定义为已删除，则由编译器定义（即生成并编译一个函数体），它与空主体和空初始化列表的用户定义构造函数具有相同的效果。

如果显式创建了无参构造函数像上面那样，你就不能

因为无参构造就是不使用参数构造，那为什么没有显式声明就行呢？这涉及到一些概念，简单来说，这种初始化叫做聚合初始化 （Aggregate initialization），没有等号也是，属于列表初始化的一种形式，前面提过。聚合初始化用于初始化“聚合”类型，如果是“类”类型，就像是struct，要想成为“聚合”就不能有三种构造函数

no user-provided, inherited, or explicit constructors

用户提供的、继承的或者explicit修饰的构造器

其中用户提供的，指的是

A function is user-provided if it is user-declared and not explicitly defaulted or deleted on its first declaration.

如果一个函数是由用户声明的，并且在首次声明时没有被明确地设置为默认或删除，那么它就是用户提供的函数。

非用户提供的，比如

Student()  = default; // 设置为默认，和不写一样的效果
//Student() = delete; // 设置为删除，意思是不存在默认构造

这时候，就可以了

另外需要注意的是，这种初始化，不像是C语言的指定器初始化，这种初始化的初始化顺序必须和声明顺序一致

如果不想默认，就自己提供三参的构造函数

这时候默认构造函数不复存在，也可再次声明，构造函数允许重载。

2、成员初始化列表

因为构造函数本意就是用来初始化，所以C++提供了更加高效的初始化方案——成员初始化列表

$:class-or-identifier ( expression-list (optional) )$

Student(): name( "jack" ), age( 0 ), gpa( 0.0 ) {};

在构造函数的括号后面操作， $memeber(value)$ ，如果没有值，为空，就会进行值初始化

$\textup{ value-initialization }$ ，也就是赋予默认值，如果有值，进行直接初始化 $\textbf{direct-initialization }$

C++的结构体还具体其它高级特性，这里不一一介绍，好戏还在后头……