C++20那些事之宇宙飞船运算符

大纲

• 三种排序

• equal与equivalent

• 为什么使用三向比较运算符？

本节将引入C++20的另一个知识点：宇宙飞船运算符/三向比较运算符。

三种排序

三向比较运算符<=>又称为宇宙飞船运算符，返回值有三种排序，下面从gcc源码角度来深入聊一下。

注：懒人版，本节示例已更新星球。

用法：<=>

#include <compare>
#include <iostream>

int main() {
   auto c1 = 1.1 <=> 2.2;
   auto c2 = -1 <=> 1;
   std::cout << typeid(c1).name() << std::endl;
   std::cout << typeid(c2).name() << std::endl;
}

输出：

St16partial_ordering
St15strong_ordering

1. 1.1 <=> 2.2：这是对两个浮点数进行比较。对于浮点数，标准库返回的是std::partial_ordering，因为浮点数有NaN值的存在，这使得它们之间的比较不是严格的全序。std::partial_ordering允许结果是<、>、==或者unordered。

我们可以使用gcc代码静态变量来查看partial_ordering到底是小于、大于、等于、无序：

static const partial_ordering less;
static const partial_ordering equivalent;
static const partial_ordering greater;
static const partial_ordering unordered;

如果我们强制转换便会报错：

comp.cc:6:36: error: conversion from 'std::partial_ordering' to non-scalar type 'std::strong_ordering' requested
    6 |   std::strong_ordering c1 = 1.1 <=> 2.2;

2. `-1 <=> 1`：这是对两个整数进行比较。对于整数，标准库返回的是`std::strong_ordering`，因为整数的比较是严格的全序关系，没有不确定的情况。`std::strong_ordering`只会返回`<`、`>`或`==`。

同理，可以使用下面4个静态成员。

static const strong_ordering less;
static const strong_ordering equal;
static const strong_ordering equivalent;
static const strong_ordering greater;

因此，c1的类型是std::partial_ordering，而c2的类型是std::strong_ordering，这也解释了为什么输出的类型不一样。

除了partial_ordering、strong_ordering之外，<=>还可能返回weak_ordering，静态成员为：

static const weak_ordering less;
static const weak_ordering equivalent;
static const weak_ordering greater;

equal与equivalent

在上面的三种ording可以看到对于等于出现了两个：equal与equivalent，这两者有什么区别呢？

这里直接看cppreference，两者之间没有区别。然而，std::strong_ordering 是唯一定义相等的类别。所有其他类别仅定义等价。也正好验证了上面的静态成员，对于string_ordering有两个，其他的只有equivalent。

如果比较在被比较的项目之间产生强排序，则等价和相等是相同的。之所以有两个词来表示它，是因为这对于其他类型的排序是不一样的。弱和部分根本没有相等性；它们只提供等价性。

等价意味着两个对象可以比较相等。相等意味着更强的东西；如果它们比较相等，则可以在任何 const 用法中用一个替换另一个：只要 a == b 为真，f(a) == f(b) 的属性就为真，其中 f 表示仅读取可通过参数的公共 const 成员访问的比较突出状态的函数。如果类型的比较允许相等（这是强排序的要求），那么它也允许等价。因此，对于强排序比较，它们是相同的。

https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/compare/strong_ordering

为什么使用三向比较运算符？

三向比较运算符（<=>）使得在一次操作中就能够确定两个值的排序关系，而传统的比较运算符则需要多次比较。

传统比较运算符的限制：

• 如果 a == b 为假，你无法知道 a < b 还是 a > b。

• 如果 a != b 为真，你无法知道 a < b 还是 a > b。

• 如果 a < b 为假，你无法知道 a == b 还是 a > b。

• 如果 a > b 为假，你无法知道 a == b 还是 a < b。

• 如果 a <= b 为真，你无法知道 a == b 还是 a < b。

• 如果 a >= b 为真，你无法知道 a == b 还是 a > b。

这些限制表明，传统的比较运算符不能一次性确定两个值的完全关系，而是需要多次比较来获得完整的结果。

本节完

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