C ++ 20中的新太空飞船运算符

C ++ 20添加了一个称为“太空飞船”的新运算符： <=> 。 不久前， Simon Brand发布了一篇帖子 ，其中包含有关此运算符是什么以及其用途的详细概念信息。 这篇文章的主要任务是研究“奇怪的”新运算符及其类似operator==的特定应用，并为在日常编码中的使用提出一些建议。

比较方式

看到如下代码并不罕见：

 struct IntWrapper {  int value;  constexpr IntWrapper(int value): value{value} { }  bool operator==(const IntWrapper& rhs) const { return value == rhs.value; }  bool operator!=(const IntWrapper& rhs) const { return !(*this == rhs);    }  bool operator<(const IntWrapper& rhs)  const { return value < rhs.value;  }  bool operator<=(const IntWrapper& rhs) const { return !(rhs < *this);    }  bool operator>(const IntWrapper& rhs)  const { return rhs < *this;        }  bool operator>=(const IntWrapper& rhs) const { return !(*this < rhs);    } }; 

注意：细心的读者会注意到，这实际上比在C ++ 20之前的代码中的冗长程度要小得多。 稍后再详细介绍。

您需要编写许多标准代码，以确保我们的类型可与相同类型的东西进行比较。 好的，我们待会儿解决。 然后是这样写的人：

 constexpr bool is_lt(const IntWrapper& a, const IntWrapper& b) {  return a < b; } int main() {  static_assert(is_lt(0, 1)); } 

您会注意到的第一件事是程序将无法编译。

error C3615: constexpr function 'is_lt' cannot result in a constant expression

问题是比较函数中忘记了constexpr 。 然后一些会将constexpr添加到所有比较运算符。 几天后，有人将添加is_gt ，但是请注意，所有比较运算符都没有异常说明，并且您将必须经历相同的繁琐过程， noexcept 5个重载中的每一个都添加noexcept 。

这就是新的C ++ 20飞船操作员向我们提供帮助的地方。 让我们看看如何在C ++ 20世界中编写原始的IntWrapper ：

 #include <compare> struct IntWrapper {  int value;  constexpr IntWrapper(int value): value{value} { }  auto operator<=>(const IntWrapper&) const = default; }; 

您可能会注意到的第一个区别是<compare>的新添加。 <compare>头负责为编译器填充飞船运算符所需的所有类型的比较类别，以便它返回适合于我们的默认函数的类型。 在以上代码段中， auto的返回类型将为std::strong_ordering 。

我们不仅删除了5条额外的行，而且甚至不需要确定任何内容，编译器会为我们完成。 is_lt保持不变，并且在保持constexpr不变的is_lt仍可以正常工作，尽管我们没有在默认的operator<=>明确指定。 这样做很好，但是有些人可能会is_lt为什么即使根本不使用宇宙飞船运算符is_lt可以允许is_lt进行编译。 让我们找到这个问题的答案。

重写表达式

在C ++ 20中，将编译器引入与“重写”表达式有关的新概念。 宇宙飞船算子以及operator==是可重写的前两个候选对象之一。 有关重写表达式的更具体示例，让我们看一下is_lt给出的is_lt 。

解决重载时，编译器将从一组最合适的候选项中进行选择，每个候选项均对应于我们所需的运算符。 当比较器和等效操作时，选择器的选择过程将略有变化，此时编译器还必须收集特殊的转录和合成候选对象（ [over.match.oper] /3.4 ）。

对于我们的表达式a < b标准指出我们可以为接受此类型的operator<=>或operator<=>寻找类型a 。 这就是编译器的工作，发现a类型实际上包含IntWrapper::operator<=> 。 然后允许编译器使用此运算符，并将表达式a < b重写为(a <=> b) < 0 。 然后，此重写的表达式将用作正常重载解决方案的候选。

您可能会问为什么这个重写的表达式正确。 表达式的正确性实际上源于太空飞船操作员提供的语义。 <=>是一种三向比较，这意味着您不仅得到二进制结果，而且还得到顺序（在大多数情况下）。 如果您有订单，则可以根据任何比较操作来表达此订单。 一个简单的示例，C ++ 20中的表达式4 <=> 5将返回结果std::strong_ordering::less 。 std::strong_ordering::less的结果表示4不仅不同于5而且严格小于此值，这使得操作(4 <=> 5) < 0正确且准确地描述了我们的结果。

使用以上信息，编译器可以采用任何广义比较运算符（即< ， >等），并根据飞船运算符对其进行重写。 在标准中，重写的表达式通常称为(a <=> b) @ 0 ，其中@表示任何比较操作。

合成表达

读者可能已经注意到上面对“合成”表达式的细微引用，并且它们在重写语句的过程中也发挥了作用。 考虑以下功能：

 constexpr bool is_gt_42(const IntWrapper& a) {  return 42 < a; } 

如果我们将原始定义用于IntWrapper ，则此代码将无法编译。

error C2677: binary '<': no global operator found which takes type 'const IntWrapper' (or there is no acceptable conversion)

这在C ++ 20之前是有意义的，并且解决此问题的方法是向IntWrapper添加一些其他函数， IntWrapper函数占据int的左侧。 如果尝试使用编译器和IntWrapper C ++ 20定义来构建此示例，则可能会再次注意到它只是有效。 让我们看看为什么上面的代码仍在C ++ 20中编译。

解决重载时，编译器还将收集标准所谓的“综合”候选对象，或使用参数相反顺序重写的表达式。 在上面的示例中，编译器将尝试使用重写的表达式(42 <=> a) < 0 ，但是会发现没有从IntWrapper到int转换来满足左侧的要求，因此丢弃了重写的表达式。 编译器还调用“合成的”表达式0 < (a <=> 42)并检测到通过其转换构造函数IntWrapper了从int到IntWrapper的转换，因此使用此候选对象。

合成表达式的目的是避免编写friend函数模板来填补可以从其他类型转换对象的空白。 综合表达式一般0 @ (b <=> a) 。

更复杂的类型

编译器生成的太空飞船运算符不会停留在类的各个成员上；它会为您类型中的所有子对象生成正确的比较集：

 struct Basics {  int i;  char c;  float f;  double d;  auto operator<=>(const Basics&) const = default; }; struct Arrays {  int ai[1];  char ac[2];  float af[3];  double ad[2][2];  auto operator<=>(const Arrays&) const = default; }; struct Bases : Basics, Arrays {  auto operator<=>(const Bases&) const = default; }; int main() {  constexpr Bases a = { { 0, 'c', 1.f, 1. },                        { { 1 }, { 'a', 'b' }, { 1.f, 2.f, 3.f }, { { 1., 2. }, { 3., 4. } } } };  constexpr Bases b = { { 0, 'c', 1.f, 1. },                        { { 1 }, { 'a', 'b' }, { 1.f, 2.f, 3.f }, { { 1., 2. }, { 3., 4. } } } };  static_assert(a == b);  static_assert(!(a != b));  static_assert(!(a < b));  static_assert(a <= b);  static_assert(!(a > b));  static_assert(a >= b); } 

编译器知道如何将数组的类成员扩展到其子对象列表中，并进行递归比较。 当然，如果您想自己编写这些函数的主体，则仍将受益于编译器重写表达式。

看起来像鸭子，像鸭子一样游泳，像operator==一样operator==

标准化委员会的一些非常聪明的人已经注意到，无论如何，飞船操作员将始终对元素进行词典编目比较。 字典式比较的无条件执行可能会导致代码效率低下，尤其是使用相等运算符时。

比较两条线的典型示例。 如果您具有字符串"foobar"并使用==将该字符串与字符串"foo"进行比较，则可以预期该操作几乎是恒定的。 有效的字符串比较算法如下：

• 首先比较两行的大小。 如果大小不同，则返回false
• 否则，请逐步浏览两行中的每个元素并进行比较，直到存在差异或所有元素结束。 返回结果。

根据飞船操作员的规则，我们必须先比较每个元素，直到找到一个不同的元素。 在我们的示例中，仅当比较'b'和'\0'时， "foobar"和"foo"才最终返回false 。

为了解决这个问题，有篇文章P1185R2 ，其中详细介绍了编译器如何独立于飞船运算符来重写和生成operator== 。 我们的IntWrapper可以编写如下：

 #include <compare> struct IntWrapper {  int value;  constexpr IntWrapper(int value): value{value} { }  auto operator<=>(const IntWrapper&) const = default;  bool operator==(const IntWrapper&) const = default; }; 

又迈出了一步……但是，有个好消息。 您实际上并不需要编写上面的代码，因为只需编写auto operator<=>(const IntWrapper&) const = default足以使编译器为您隐式生成一个单独的更有效的operator== ！

编译器将应用略微修改的“重写”规则，特定于==和!= ，其中在这些运算符中，它们是根据operator==而不是operator<=>进行重写的。 这意味着!=还可以从优化中受益。

旧代码不会中断

此时，您可能会认为：好吧，如果允许编译器执行此操作符重写操作，那么如果我试图超越编译器，将会发生什么：

 struct IntWrapper {  int value;  constexpr IntWrapper(int value): value{value} { }  auto operator<=>(const IntWrapper&) const = default;  bool operator<(const IntWrapper& rhs) const { return value < rhs.value; } }; constexpr bool is_lt(const IntWrapper& a, const IntWrapper& b) {  return a < b; } 

答案没什么大不了的。 C ++中的重载解决方案模型是所有候选对象冲突的场所。 在这场特殊的战斗中，我们有三个：

• IntWrapper::operator<(const IntWrapper& a, const IntWrapper& b)
• IntWrapper::operator<=>(const IntWrapper& a, const IntWrapper& b)

（改写）

• IntWrapper::operator<=>(const IntWrapper& b, const IntWrapper& a)

（综合）

如果我们在C ++ 17中采用了重载解析规则，则此调用的结果将是混合的，但C ++ 20的重载解析规则已更改，以便编译器可以将这种情况解决为最合逻辑的重载。

当编译器必须完成一系列额外的遍历时，会有一个过载解决阶段。 在C ++ 20中，出现了一种新机制，其中优先考虑的是不会被覆盖或合成的重载，这使我们的IntWrapper::operator<重载了最佳候选并解决了歧义。 相同的机制可以防止使用合成的候选项而不是通常的重写表达式。

最后的想法

太空飞船操作员是C ++的一个受欢迎的补充，因为它可以帮助简化代码并减少编写，有时少则更好。 因此，请系好安全带并控制您的C ++ 20 飞船 ！

我们敦促您出去尝试一下太空飞船操作员，它现在在Visual Studio 2019中的 /std:c++latest下可用！ 请注意，对P1185R2所做的更改将在Visual Studio 2019版本16.2中提供。 请记住，宇宙飞船运算符是C ++ 20的一部分，并且可能会有所更改，直到C ++ 20最终定稿为止。

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