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:<=>

go 复制代码
#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:

go 复制代码
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:

go 复制代码
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:

go 复制代码
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;
go 复制代码
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。

go 复制代码
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:

go 复制代码
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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