C++20三路比较运算符详解

三路比较运算符（<=>）通过一次性完成小于、等于、大于的比较，简化了自定义类型的比较操作。1. 它返回std::strong_ordering、std::weak_ordering或std::partial_ordering类型，分别表示强排序、弱排序和偏序；2. 使用= default可让编译器自动生成比较逻辑，按成员变量声明顺序依次比较；3. 编译器可根据operator<=>自动推导出其他比较运算符（如<、>、<=、>=、==、!=），减少代码重复；4. 适用于需要定义多个比较运算符、提高可读性和维护性的场景；5. 可自定义比较逻辑以满足特定需求，如优先比较某些成员变量；6. 性能通常与手动实现相当，但复杂自定义逻辑可能影响效率。

C++20的三路比较运算符，又称“宇宙飞船运算符”（<=>），它能一次性完成小于、等于、大于的比较，简化了自定义类型的比较操作。

使用三路比较运算符，可以减少代码重复，提高代码可读性，并且编译器可以根据它自动推导出其他比较运算符（如<、>、<=、>=、==、!=）。

三路比较运算符<=>究竟如何简化C++中的比较操作？

三路比较运算符的基本用法

三路比较运算符<=>可以返回以下三种类型之一：

• std::strong_ordering: 强排序，表示完全可区分的排序，例如整数、浮点数。如果 a <=> b 返回的值小于 0，则 a < b；如果等于 0，则 a == b；如果大于 0，则 a > b。
• std::weak_ordering: 弱排序，允许不完全可区分的排序，例如浮点数中的 NaN。即使 a == b 不成立，a <=> b 也可能返回 0。
• std::partial_ordering: 偏序，表示某些值无法比较，例如复数。a <=> b 可能返回 std::partial_ordering::unordered，表示 a 和 b 无法比较。

例如，对于自定义类型 MyClass，可以这样定义三路比较运算符：

#include 

struct MyClass {
  int value;

  auto operator<=>(const MyClass& other) const = default;
};

= default 告诉编译器自动生成三路比较运算符，编译器会按照成员变量的声明顺序依次比较。如果所有成员变量都相等，则认为两个对象相等。

编译器如何自动推导其他比较运算符？

当定义了三路比较运算符后，编译器可以根据它自动推导出其他比较运算符。例如，如果定义了 operator<=>，则编译器可以自动推导出 operator<、operator>、operator<=、operator>=、operator==、operator!=。

这意味着，只需要定义一个三路比较运算符，就可以完成所有比较操作，大大简化了代码。

#include 
#include 

struct MyClass {
  int value;

  auto operator<=>(const MyClass& other) const = default;
};

int main() {
  MyClass a{1};
  MyClass b{2};

  if (a < b) {
    std::cout << "a < b" << std::endl;
  }

  if (a == b) {
    std::cout << "a == b" << std::endl;
  } else {
    std::cout << "a != b" << std::endl;
  }

  return 0;
}

在这个例子中，我们只定义了 operator<=>，但是仍然可以使用 operator< 和 operator== 进行比较。

三路比较运算符的优势和适用场景

三路比较运算符的优势在于：

• 减少代码重复：只需要定义一个三路比较运算符，就可以完成所有比较操作。
• 提高代码可读性：代码更加简洁明了，易于理解。
• 编译器自动推导：编译器可以根据三路比较运算符自动推导出其他比较运算符，减少了出错的可能性。

三路比较运算符适用于以下场景：

• 自定义类型需要进行比较操作：例如，需要对自定义类或结构体进行排序、查找等操作。
• 需要定义多个比较运算符：例如，需要同时定义 operator<、operator>、operator<=、operator>=、operator==、operator!=。
• 希望提高代码可读性和可维护性：使用三路比较运算符可以使代码更加简洁明了，易于理解和维护。

三路比较运算符可能遇到的问题和注意事项

• 自动生成的比较可能不符合预期：编译器按照成员变量的声明顺序依次比较，可能不符合预期的比较逻辑。例如，可能需要自定义比较逻辑，例如忽略某些成员变量，或者按照特定的规则进行比较。
• 需要考虑不同的排序类型：std::strong_ordering、std::weak_ordering、std::partial_ordering 适用于不同的场景，需要根据实际情况选择合适的排序类型。例如，浮点数应该使用 std::partial_ordering，因为 NaN 无法比较。
• 与旧代码的兼容性：C++20 引入了三路比较运算符，旧代码可能不兼容。需要注意代码的兼容性，避免出现编译错误或运行时错误。

如何自定义三路比较运算符？

如果自动生成的三路比较运算符不符合预期，可以自定义三路比较运算符。例如：

#include 

struct MyClass {
  int value1;
  int value2;

  std::strong_ordering operator<=>(const MyClass& other) const {
    if (value1 != other.value1) {
      return value1 <=> other.value1;
    }
    return value2 <=> other.value2;
  }
};

在这个例子中，我们首先比较 value1，如果 value1 不相等，则返回比较结果；否则，比较 value2，并返回比较结果。

三路比较运算符的性能影响

三路比较运算符的性能通常与手动实现的比较运算符相当，甚至可能更好。编译器可以对三路比较运算符进行优化，生成更高效的代码。

但是，如果自定义的三路比较运算符比较复杂，可能会影响性能。需要注意代码的性能，避免出现性能瓶颈。