课堂-第2学堂 - 如何静态反射C++枚举的名字

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C++ 有枚举，编译后其值就被转成整数了，有时程序会有输出枚举名字的需求，朴素的做法就是手工一个个写字符串（名字），并实现匹配，比如：
enum class Shape {rectangle, circular}; 
std::string ToString (Shape s)
    switch(s)
         case Shape::rectangle : return "rectangle";
         case Shape::circular : return "circular";
         default: assert(false && "不依规矩，不成方圆");
这当然很烦人，三个烦人处：一是每种类型都得写一个函数；二是手工打字符串容易打字出错；三是default那个地方很讨厌。
2 破题 __PRETTY_FUNCTION__

好在，g++、clang 都扩展支持一个有趣的宏：__PRETTY_FUNCTION__ , MSVC 则有 __FUNCSIG__ 。在编译时，这个宏会被替换成一个字符串，内容是当前所在函数的“漂亮的/pretty”的名字，比如：
void foo(const char* )
   std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
调用 foo(), 它应该输出：
void foo(const char*) 
注意到了吗？入参的类型 const char* 是 __PRETTY_FUNCTION__ 所得的函数名字的组成之一 —— 这并不意外，要区分同名的多个不同函数，必须依靠它的入参组成（入参类型、入参个数），这是C++函数支持重载的重要机制。
嗯，现在可以陷入沉思了……要是有个函数，它入参就是“类型”（不是类型具化后数据），那么传入int类型， 通过 __PRETTY_FUNCTION__ 能得到一个带 “int” 子串的字符串，传入 const char （或 char const），就能得到一个带 “const char” 的字符串，把子串扣出来，我们就得到某个类型的名字了嘛！而如果我们有一个 枚举(enum)类型叫 “Color”，不也一样能扣出它的名字？这距离我们扣枚举的值的名字，似乎很近了。
继续深思，入参是类型，而不是类型具化后的数据，不就是模板函数嘛！
让我们来写一个函数模板，看看这个 __PRETTY_FUNCTION__ 得到的函数名，会是什么呢？
我们给出能完整执行的代码：
#include <iostream>
template<typename T>
void foo(T t)
    std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
int main()
    foo(10);
    foo('c');
它的输出是：
void foo(T) [with T = int]
void foo(T) [with T = char]
注意到了吧！在一对方括号中"with"后面的内容——漂亮地包含了参数的实际类型。
3 试试用户自定义类型

不仅支持C++内置的简单类型，以上代码当然也支持 用户自定义 的struct/class类型的。让我们马上再来试试，这次我们干脆让foo函数返回字符串：
#include <iostream>
template<typename T>
char const* foo(T t)
    return __PRETTY_FUNCTION__;
struct d2school {}; 
int main()
    std::cout << foo( d2school{} ) << std::endl;
刻意解释： d2school {} 用来临时构造一个 d2school 类型的对象，自然，也可以使用C++老传统的 d2chool () 来构造。
输出是：const char* foo(T) [with T = d2school]。
说到用户自定义类型，枚举也是用户自定义类型呀，来，马上试试：
#include <iostream>
template<typename T>
char const* foo(T t)
    return __PRETTY_FUNCTION__;
struct d2school {};
enum class Color {red, green};
int main()
    std::cout << foo(d2school {}) << std::endl; 
    std::cout << foo(Color::red) << std::endl;
猜到了吧，输出肯定是：
const char* foo(T) [with T = d2school]
const char* foo(T) [with T = Color]
前面刻意解释 的“ d2school {} ”暴露了一个小问题：为了得到一个类型的名字，我们却不得不临时提供一个数据，正好有个数据时倒好办，手上没数据强行搞一个变量这就烦人了。
小问题倒是好解决，C++模板允许我们精确地指定一个模板的类型的入参。下面我们去掉foo的入参，再对应修改调用方法：
#include <iostream>
template<typename T>
char const* foo()  // 入参去掉了……
    return __PRETTY_FUNCTION__;
struct d2school {};
enum class Color {red, green};
int main()
   // 调用起来很酷：
    std::cout << foo<unsigned int>() << std::endl;
    std::cout << foo<bool>() << std::endl;
    std::cout << foo<d2school>() << std::endl;    
    std::cout << foo<Color>() << std::endl;
嗯，现在的代码用起来和看起来都非常的有C++的味道（毕竟我们都用过 C++自带的那些xxx_cast 不是？）
能跨各主流编译器（g++\clang\MSVC），并且是在编译期间得到指定类型的名字字符串，在很多时候也是蛮有用的。但是，我们不仅想要枚举类型的名字，我们还想要枚举值的名字。
这世上还有什么语言，能像C++那样对模板（泛型）支持到令人发指的程度呢？C++模板的又一个简单而基础的知识点来了：模板支持非类型的入参呢！大白话点讲，就是模板入参不仅可以传类型，也可以假装“退回”普通函数，传一个具体的数据，而枚举值，就是一个数据。
如果你还不明白，就再看一眼前面代码中我们定义的Color枚举， Color 是一个枚举类型，而其下定义的 red、green，那是值。

虽说支持传递非类型参数 是C++模板一项“令人发指”的特性，但又有细分：在当前主流的 C++1x 标准下，它是翘兰花指，而在C++20，这项特性是疯狂到赤裸裸“竖中指”的地步——C++1x （11、14、17）传的数据只能是简单类型，而C++20以后，竟然可以传用户自定久的struct/class类型的数据了……
我们使用C++1x 标准就够了，因为enum 值 底层实现是整数系类型，属于简单类型。
4 两个模板参数：类型和该类型的数据

现在我们要为 foo 模板 添加第二个模板入参，并且它是第一个入参（T，一个类型）的数据，让我们为它取名为“V”：
template <typename T, T V> // “T”是类型， “V” 是 T 类型的一个数据
char const* foo()
     return __PRETTY_FUNCTION__;
注意：T 前面 有个 typename（“type name”），明确指明T是一个类型（的名字），而V，它的前面是T，所以它是一个T类型的数据。
既然模板入参多了一个，调用时，自然也得多传一个，比如这样：foo<bool, false>() ; 其中，bool 是一个类型，而 false 是一个bool类型的数据。完整代码如下：
#include <iostream>
template<typename T, T V>
char const* foo()
    return __PRETTY_FUNCTION__;
enum class Color {red, green};
int main()
    std::cout << foo<unsigned int, 999u>() << std::endl;
    std::cout << foo<bool, false>() << std::endl;    
    std::cout << foo<Color, Color::red>() << std::endl;
注意：我们去掉了 d2shool 结构的相关代码，原因见前。

我们迫切关心的是：__PRETTY_FUNCTION__ 这家伙，它将如何展现第二个模板参数的内容，请看以上代码的输出：
const char* foo() [with T = unsigned int; T V = 999]
const char* foo() [with T = bool; T V = false]
const char* foo() [with T = Color; T V = Color::red]
__PRETTY_FUNCTION__，你太棒了！竟然把值都给包含进去了……
看到输出内容中的“Color::red”了吧？现在，想办法把它从上面的字符串中扣出来，文章就结束了。
5 编译期“扣”字符串

扣的方法很多——但关键是得在编译期间扣——“现代”的C++的又一知识点来了：带有constexpr 修饰的函数，编译器将会在编译代码时就执行它，得到结果后，把结果塞入代码以替换这个函数的执行——听起来像是加强版的“inline”修饰的函数；但后者只是尝试将函数内的实现提出来变成每一处调用位置的代码，constexpr 却是尝试先编译一下这个函数，然后再将编译后的这个函数执行一下，得到结果后再替换代码。
举个例子吧，假设，你有一个函数：
constexpr int accumulate (int beg, int end)
    int r = 0;
    for (int i=beg; i<=end; ++i) 
        r += i;
    return r; 
逻辑很简单：从 beg 一直加到 end，返回累加和。然后你这么调用：
int sum = accumulate (1, 100);
由于 accumulate 带有 constexpr 修饰，所以编译器会在编译时——此时你的可执行程序还不存在——就直接执行 accumulate(1, 100)，然后在内心骂你一句“小傻瓜，这不就是 1加到100嘛！”，于是（可以先简单地认为）它帮你改写了调用处的源代码，变成：
int sum = 5050；
然后再编译。
——这已经不是兰花指或中指的问题了，依我看这是举或不举的问题。同样，这里也有版本高低之分。C++11标准能支持constexpr函数有很大限制，比如无法支持如上带有循环的代码；但C++14或更高标准则能支持（当然也有不少限制）。
牛皮吹完……现在必须强调一下，constexpr 并不强制，或者说，并不保证经它修饰的函数，一定能在编译器执行求值，你必须依据C++标准的规定很小心地写函数，否则，标示了constexpr的函数，依然可能是在运行时调用。
也可以将上述现象视为constexpr的一种灵活性；你可以拿它和C++20的consteval 作对比。
回归主题，如何从母串：
“const char* foo() [with T = Color; T V = Color::red]”
当中扣出“Color”、“Color::red”、“red” 这三个子串呢？表面上看，这太简单了，基本和现代C++的新鲜知识点无关了；但正如前面所强调的，如何写这一实现，事实上必须非常小心，甚至往往得借助一些工具查看编译后的汇编代码，才能确实是否真的实现了编译期求值。
我的扣法是：找到母串中的 ‘=’（两个） 、’;’ 、 ‘:’ (第二个)以及最后结束的 ‘]’ 等字符在母串中的位置（下标索引），然后：
首个 ‘=’ 和 ‘;’ 之间的，是枚举的类型名字，本例是 Color；
第二个’=’ 和 ‘]’ 之间的，是枚举值的全称，本例是 Color::red；
冒号和 ‘]’ 之间的，是枚举值的短名字，本例是 red。
实际处理时，还需要跳过等号后面的一个空格。另外，我们也得支持传统C++的枚举（即不带class），此时，全称和短名字是相同的。判断方法：没冒号就是传统的枚举，有冒号就是新标的枚举——专业术语叫 “scoped enum”。
连实现带用例的完整代码见后。
一点说明：为了省除手工写代码，我用了C++17的string_view。因此下面的代码必须使用支持C++17标准的编译器；事实上，于g++而言，编译器自身版本也得足够新，建议11.x以上。
如果不懂如何查看自己用的C++编译器支持的C++版本，可以通过类似以下代码查看相关版本：
cout << __cplusplus << " , " << __VERSION__ << endl;
我的输出是：201703，11.2.0
6 完整代码

#include <cassert>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string_view>
// 用来存储枚举反射信息的结构体
// 注意名字都使用 string_view 存储，以避免动态内存分配
struct ReflectionEnumInfo
    bool scoped; // 是否 scoped enum
    std::string_view name, valueFullName, valueName; // 类型名、值名、值全名
    // 构造时，从母串中按指定位置 得到各子串
    // info : 母串，即 __PRETTY_FUNCTION__ 得到的函数名
    // e1:等号1位置; s:分号位置; e2:等号2位置; colon:分号位置; end:]位置
    constexpr 
    ReflectionEnumInfo(char const* info
        , std::size_t e1, std::size_t s, std::size_t e2
        , std::size_t colon, std::size_t end)
        : scoped(colon != 0), name (info + e1 + 2, s - e1 -2)
          , valueFullName (info + e2 + 2, end - e2 - 2)
          , valueName((scoped)? std::string_view(info+colon+1, end-colon-1) 
               : valueFullName)
// 说了半天的 模板函数，带 constexpr
template <typename E, E V> 
constexpr ReflectionEnumInfo Renum()  
    char const* info = __PRETTY_FUNCTION__;
    // 找各个符号位置
    std::size_t l = strlen(info);
    std::size_t e1 = 0, s = 0, e2 = 0, colon = 0, end = 0;
    for (std::size_t i=0; i<l && !end; ++i)
        switch(info[i])
            case '=' : (!e1) ? e1 = i : e2 = i; break;            
            case ';' : s = i; break;                
            case ':' : colon = i; break;
            case ']' : end = i; break;
    return {info, e1, s, e2, colon, end}; 
////// 下面是用例代码 ///////
// 为方便输出 ReflectionEnumInfo ，重载一下输出流操作 
std::ostream& operator << (std::ostream& os, ReflectionEnumInfo const& ri) 
    os << "scoped = " << std::boolalpha << ri.scoped << std::noboolalpha
        << "\nname = " << ri.name
        << "\nvalueName = " << ri.valueName
        << "\nvalueFullName = " << ri.valueFullName
        << "\n------------------------------\n";        
    return os;
enum class Shape {rectangle, circular}; 
enum Color {cRed = 1, cGreen };
int main() 
    auto ri1 = Renum<Shape, Shape::rectangle>();    
    std::cout << ri1;
    auto ri2 = Renum<Shape, Shape::circular>();
    std::cout << ri2;
    auto ri3 = Renum<Color, cRed>();
    std::cout << ri3;
    auto ri4 = Renum<Color, static_cast<Color>(2)>();
    std::cout << ri4;    
    auto ri5 = Renum<Color, static_cast<Color>(12)>();
    std::cout << ri5;  
    std::cout << std::endl;
请特别注意最后两个测试案例，它们都是从整数值强制转换到Color枚举，但一个是合法范围，另一个是非法范围。
另外，请注意，这里使用了 gcc 的一处扩展：gcc 提供了静态版的 strlen()库函数 ，即：给出一个编译期的C风格（以零结束）的字符串，就能在编译期直接“数”出来这个字符串的长度。如果不利用这个扩展函数的话，得自己写一个编译期的 strlen()。
scoped = true
name = Shape
valueName = rectangle
valueFullName = Shape::rectangle
------------------------------
scoped = true
name = Shape
valueName = circular
valueFullName = Shape::circular
------------------------------
scoped = false
name = Color
valueName = cRed
valueFullName = cRed
------------------------------
scoped = false
name = Color
valueName = cGreen
valueFullName = cGreen
------------------------------
scoped = false
name = Color
valueName = (Color)12
valueFullName = (Color)12
-------------------------------
在线编译、运行及查看结果 ：Coliru Viewer 。
从程序自身的运行输出结果看，似乎没有错，但是，“Renum()”函数到底是不是只在编译器执行呢？可借助工具站点（详见文末）查看代码的汇编结果。其中的重点在于main()函数内的第一行代码：
auto ri = Renum<Shape, Shape::rectangle>(); 
它的汇编是：
粗略的看，.LC5 的位置存储了一个字符串，正是本次函数“调用”时 __PRETTY_FUNCTION__ 所代表的字符串；而标注为147、150、153等行号代码中各自出现的“神奇”数字如 47、60、67 应是编译期计算出来几个数值，代表在母串的偏移，家可以手工数数。汇编代码详见 Compiler Explorer - C++。