在C语言中选择使用枚举(enum)还是宏定义(define)？

Question

我注意到libc中大多数预定义值都是使用#define指令编写的。例如，在fseek中，whence参数需要一个int，而（据我所知）枚举类型会更好。有很多类似的例子，这些例子显然存在某种原因（除了向后兼容问题）。

因此，我想知道在哪种情况下最好使用#define，而枚举是一种更易于发现的类型安全替代方案。

作为一个实际的例子，考虑一个typedef表示输入/输出通道，就像在内核中可能发生的情况一样。GPIO可以配置为输入或输出。在这里使用enum指令是否值得？

typedef struct gpio {
    size_t port; 
    size_t bit;
    enum { DIR_INPUT, DIR_OUTPUT } direction; // or `bool`?
    bool value;
} gpio;

请注意，enum可以有三种不同的实现方式：

i) 类型：

typedef enum gpio_direction {   
   DIR_OUTPUT
   DIR_INPUT
} gpio_direction;

ii) 全局枚举

enum gpio_direction {   
   DIR_OUTPUT
   DIR_INPUT
} gpio_direction;

iii) 匿名枚举（如我的示例所示）。

- nowox

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enum 的一个问题是枚举常量的类型总是 int，不能用于超出 int 范围的值。你代码中另一个可能存在的问题是编译器（或者在理论上甚至是编译过程中）enum 大小可能会有所不同，从而影响结构体的布局。 - M.M

我个人认为，当值不重要时（例如在状态机或条件字段中），我总是会使用 Enum。在这种情况下，我永远不会将 ENUM 与 int 进行比较，我总是将 ENUM 与 ENUM 进行比较。在实际值很重要的情况下，我总是使用 #define，例如硬件配置寄存器值或位域。 - Schafwolle

你正在询问嵌入式系统中的最佳实践。libc是由桌面程序员编写的。在嵌入式系统中，有更多需要考虑的因素，其中类型显式表达更为重要。如果您不是特别关注嵌入式系统，那么这个就是重复的问题。总的来说，这个话题已经在SO上被无休止地辩论过了，您可以找到大量相关信息。 - Lundin

你后面的建议稍微好一些，因为在嵌入式设备上你不会真正使用fseek，但我仍然不同意你的选择。我想问的是：为什么在大多数情况下libc使用#defines时最好使用枚举？如果你愿意，我可以重命名这个问题。 - nowox

有趣（且非重复）的问题是：为什么#define经常被使用？ - Hans Lub

Answer 1

有很多类似的例子，这些显然都有存在的理由。

其中一个原因是：在汇编代码中，没有一种便携式的方法可以引用C语言的枚举类型。低级代码通常是（现在仍然如此），使用宏定义而不是枚举类型来指定低级代码使用的常量。

另一个原因是习惯用法if(verbosity & WAKE_THE_NEIGHBOURS),其中一个#define值用于指定位位置。

所以我想知道，在哪种情况下应该使用 #define，而枚举是一种类型安全的替代方案，更容易被发现。

在所有其他情况下，我会（现在 - 使用 #define 也算是一种传统）使用 enum，这样 if (verbosity == RED) 就会引发一个警告（如果你使用例如 gcc 和-Wall）。

- Hans Lub

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那么，是否也可以使用 #ifndef _LANGUAGE_ASM \n enum {...} \n #else \n #define ... \n #endif？ - nowox

if (verbosity & WAKE_THE_NEIGHBOURS)是一个非常好的观点。 - nowox

如果（verbosity＆WAKE_THE_NEIGHBOURS）可以与枚举一起使用...但是，您将获得有符号类型。粗略编写的#define将执行相同操作，因此没有实际区别，除非# define经过小心编写。 - Lundin

@Lundin：不，WAKE_THE_NEIGHBOURS 需要来自序列 1,2,4,8,16,.. 的值，而 enum 将分配 0,1,2,3,..。你可以通过使用 << 来解决这个问题，但这有什么意义呢？ - Hans Lub

@HansLub 没有任何限制阻止您为枚举类型赋任何值。typedef enum { WAKE_THE_NEIGHBOURS = 16; .. } wake_t。这就是为什么您的回答目前看起来没有太多意义的原因。 - Lundin

是的，但您也会失去（相对较弱的）类型安全性：if (verbosity & RED) 和 if (verbosity & WAKE_THE_NEIGHBOURS) 都需要将 enum 转换为 int，从而擦除有关原始 enum 类型的所有信息。 - Hans Lub

Answer 2

虽然在其他可用的情况下应该使用其他解决方案，但仍有一些情况需要使用宏。有些是历史原因，但今天仍然有一些有效的原因。

例如，您提到fseek的whence参数（即SEEK_SET、SEEK_CUR和`SEEK_END）。由于历史原因，这些被指定为标准中的宏 - 因此实现者必须将它们定义为宏才能完全符合要求，一些恶意程序员可能会编写以下代码（并归咎于库造成后果）：

#include <stdio.h>

#ifndef SEEK_CUR
int evil = *(int*)0;
#endif

但就我所见，他们没有理由不能这样写：

enum __WHENCE_T {
    __SEEK_CUR,
    __SEEK_END,
    __SEEK_SET
};

#define SEEK_CUR __SEEK_CUR
#define SEEK_END __SEEK_END
#define SEEK_SET __SEEK_SET

另一个历史原因是，当使用宏时，编译器可能会生成更有效的代码。那时编写的代码可能仍然存在，并且包含在当时效果更好的结构（现在仍然很好用）。

现代的原因是，如果您需要在C编译器之外使用这些值。例如，如上所述，如果您想在汇编代码（或其他语言）中使用该值。您只需要确保头文件不会扩展为某些东西（其中包含C代码），除非它是使用C编译器编译的。例如：

#define NUMBER 42

#ifdef __STDC__
extern int variable;

int function(void);
#endif

如果从汇编语言中包含，宏NUMBER仍将是可扩展的（并且会扩展为与C程序相同的内容）。

- skyking