C++ 20新特性之三向比较运算符

概述

在C++中，如果需要对两个自定义类的对象进行比较，我们通常要单独定义6个比较运算符：==、!=、<、<=、>、>=。这不仅繁琐，还很容易出错，特别是当比较逻辑复杂时，稍有不慎就会引发不一致的比较结果。为了解决这个问题，提供统一的比较接口，C++ 20中引入了三向比较运算符。它能够根据操作数的相对大小，返回-1、0或1，分别代表小于、等于和大于，从而简化了比较逻辑的实现。

什么是三向比较运算符

三向比较运算符，即<=>，通常称为“太空船运算符”（Spaceship operator）。这个运算符的设计初衷是为了简化用户自定义类型的比较操作，以前需要分别重载<、>、==等多个比较运算符，而现在仅需一个运算符就能完成所有比较逻辑的定义。

<=>运算符在内部执行两个操作数的比较，并根据它们的相对大小返回一个特殊类型。这个类型属于std::compare_three_way的结果类型分类，具体可以是以下三种。

std::strong_ordering：表示强顺序关系，返回std::strong_ordering::less、std::strong_ordering::equal、或std::strong_ordering::greater。

std::weak_ordering：用于可能无法区分所有不同值的情况，比如NaN在浮点数比较中的处理。

std::partial_ordering：适用于部分可比类型，比如某些情况下可能会出现不可比较的值。

如何使用

对于简单的自定义类型，可以直接在类中使用= default默认定义<=>运算符，可参考下面的示例代码。

#include <compare>
#include <iostream>
using namespace std;struct Fraction
{int numerator;int denominator;Fraction(int num, int denom) : numerator(num), denominator(denom) {}// 重载三向比较运算符auto operator<=>(const Fraction& other) const = default;
};int main()
{Fraction f1(1, 2);Fraction f2(2, 4);if (f1 <=> f2 == 0){cout << "f1 and f2 are equal." << endl;}else if (f1 <=> f2 < 0){cout << "f1 is less than f2." << endl;}else{cout << "f1 is greater than f2." << endl;}return 0;
}

在上面的示例代码中，operator<=>使用= default请求编译器生成比较逻辑。编译器会自动比较Fraction实例的numerator和denominator字段，如果两者都相等，则认为两个Fraction实例相等。如果numerator不等，则根据numerator的比较结果决定。如果numerator相同但denominator不等，则根据denominator的比较结果决定。

有时候，默认生成的比较逻辑并不合适，就比如上面的例子。对于复杂的比较逻辑，可以手动实现<=>运算符，然后根据具体情况返回相应的比较结果。

在下面的示例代码中，我们定义了一个Person结构体，并为它提供了三向比较运算符的重载函数。这个函数首先比较两个Person对象的年龄，如果年龄不同，则直接返回年龄的比较结果。如果年龄相同，则比较姓名。通过这种方式，我们可以很容易地实现自定义类型的比较功能，并且只需要一个比较函数就可以满足各种比较需求。

#include <compare>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;struct Person
{std::string name;int age;auto operator<=>(const Person& other) const{// 先按年龄比较if (age != other.age){return age <=> other.age;}// 年龄相同则按姓名比较return name <=> other.name;}
};int main()
{Person p1{ "Mike", 18 };Person p2{ "Jack", 20 };std::cout << std::boolalpha;std::cout << (p1 < p2) << endl;std::cout << (p1 > p2) << endl;// 使用三向比较运算符的返回值  auto result = p1 <=> p2;if (result < 0){std::cout << "p1 is less than p2" << endl;}else if (result == 0){std::cout << "p1 is equal to p2" << endl;}else{std::cout << "p1 is greater than p2" << endl;}return 0;
}