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C++ 语言的比较操作符有很多,包括: == 、 != 、 > 、 >= 、 < 、 <= 等,如果要实现对象的大小比较功能,需要实现这些函数,比较繁琐,而且如果实现不好,这些函数之间出现不一致,也容易引起问题,因此在 C++20 中,新增一个三路比较运算符来统一这些比较运算,简化实现,同时也对原有的运算操作符进行细化约定,解决一些歧义的问题。
为了解决这些问题,需要设计新的比较运算符,以及优化已有的比较运算符设计,需要先统一设计思路:
通过这些设计思路,可以使整个比较操作的设计更易于理解和使用,其实其他一些设计都可以参考使用这些设计思路。
C++20 中新增一个三路比较运算符:<=>,通过实现这一个三路比较运算符的操作,就可以取代原来的六个比较运算符,这个三路比较运算符的原型为:
auto X::operator<=> ( const Y & ) ;
由于不同的对象有不同的比较能力,按照正交性划分成下面几个角度来分析:
根据这几个角度的组合,三路比较运算符可以返回5种类型,每种类型可以通过两到四个值表示具体的比较结果:
(更正:上面最初的想法很理想化,实现时发现使用 <=> 运算符实现 != 运算往往效率很低,因此决定还是将 == 和 != 运算单独出来实现,因此废弃了 std::weak_equality 和 std::strong_equality ,具体后面描述。)
以一个不区分大小写的字符串对象为例,如果要同时支持对象之间,以及对象和 char * 之间的比较,原来需要实现 18 个函数:
class CaseInsensitiveString{private: std::string m_str;public: friend bool operator == ( const CaseInsensitiveString& a, const CaseInsensitiveString& b ) { return case_insensitive_compare(a.m_str.c_str(), b.m_str.c_str()) == 0; } friend bool operator < ( const CaseInsensitiveString& a, const CaseInsensitiveString& b ) { return case_insensitive_compare(a.m_str.c_str(), b.m_str.c_str()) < 0; } friend bool operator != (const CaseInsensitiveString& a, const CaseInsensitiveString& b) { return ! ( a == b ); } .... // 其他14个函数省略 friend bool operator >= ( const char * a, const CaseInsensitiveString & b ) { return ! ( a < b ); }};
现在采用 C++20 的三路比较运算符,只需要实现两个函数即可:
class CaseInsensitiveString{private: std::string m_str;public: std::weak_ordering operator <=> ( const CaseInsensitiveString& b ) const { return case_insensitive_compare( m_str.c_str(), b.m_str.c_str() ); } std::weak_ordering operator <=> ( const char * b ) const { return case_insensitive_compare( m_str.c_str(), b ); }};
(更正:上面最初的想法很理想化,实现时发现使用 <=> 运算符实现 != 运算往往效率很低,因此决定还是将 == 和 != 运算单独出来实现,这里除了这两个函数外,还需要实现两个 operator == 函数,具体后面描述。)
为了进一步简化比较运算符的实现方式,定义了缺省实现,使用时只需要简单写成:
std::strong_ordering operator <=> ( const MyClass & ) const = default;
这里的 std::strong_ordering 只是示例,也可以选择其他类型之一,如果是 auto 类型,则通过 std::common_comparison_category_t< Ms ... > 模板来推导,其中 Ms ... 表示基类和各个成员变量的类型的列表。
缺省实现会先比较基类,然后依次比较各个非静态成员变量,如果不相等,就直接返回结果,如果相等,就继续依次比较。
新增三路运算符(<=>)之后,可能会对原有代码产生影响,因为三路运算符可以拆解成<=运算符和>符号,后者可以是一个模板的结束,因此如果模板里面刚好有<=运算符,可能就会解析出错:
struct X { };bool operator <= ( X a1, X a2 ) { ... }template< bool( X, X ) > struct Y { ... };Y a1; // C++17正确,C++20错误,优先解析成 <=> 三路比较运算符Y< &operator<= > a2; // C++17和C++20都正确,模板尖括号内侧加上空格,就能避免解析歧义
不过这种代码实际开发中一般很少会碰到,应该影响不大。但从另一个角度来看,编写代码时,多个符号之间最好写一些空格来隔开,一方面是代码更容易阅读,另一方面也防止将来某天多个符号连接在一起时有新的语义。
【往期回顾】
C++20 新特性(15):协程(Coroutines )
C++20 新特性(14):lambda初始化捕捉支持参数包
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