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。

比较运算符设计思路

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：

• 一致性：类似的东西应该尽量一致，而不同的东西则应该提高区分度，包括命名方式、行为、能力等。
• 正交性：先从不同的角度分别进行分类，然后再看每种分类下面有哪些情况
• 通用性：避免对使用方式进行限制，避免特殊情况和局部特性，保持比较操作的通用性。

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 新增的三路比较运算符

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：

• 是否只可以比较相等，还是还能比较大小。
• 可以比较大小的时候，是否所有的值都能比较大小，例如浮点数有个值NaN，和其他浮点数无法比较大小。
• 是否 a == b 意味着 f(a) == f(b) ，即可替代性，如果成立，就是强相等，否则就是弱相等，其他比较操作类似。

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：

• std::weak_equality，弱相等，取值：equivalent nonequivalent
• std::strong_equality，强相等，取值：equal nonequal
• std::weak_ordering，弱有序，取值：less equivalent greater
• std::partial_ordering，部分有序，取值：less equivalent greater unordered
• std::strong_ordering，强有序，取值：less equal greater

（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。）

三路比较运算符的缺省实现（= default）

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。

三路比较运算符的副作用

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<&operator<=> 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