C++20 三路比较运算符 `<=>` 与 `operator==() = default` 的深度剖析及实际应用

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在 C++ 编程语言的发展历程中，C++20 版本带来了许多令人眼前一亮的新特性。其中，三路比较运算符 <=> 以及 operator==() = default 这两个特性尤为突出，它们在提升代码质量和开发效率方面有着重要作用。这两个特性不仅让比较运算符的实现变得更加简洁，还大大增强了代码的可读性和一致性。接下来，我们就深入探讨一下这两个特性，并通过具体的应用实例来展示它们的强大之处。

一、三路比较运算符 <=>

（一）背景与动机

在以往的 C++ 编程中，当我们要为一个类实现比较逻辑时，往往需要手动定义多个比较运算符，比如 operator<、operator>、operator== 等等。这种方式不仅繁琐，写起来比较麻烦，而且很容易因为疏忽而出现错误。C++20 引入的三路比较运算符 <=>，也被形象地称为“spaceship operator”（太空船运算符），就是为了解决这一问题而诞生的，它让比较逻辑的实现变得更加简单和高效。

（二）三路比较运算符的定义

三路比较运算符 <=> 的主要功能是对两个对象进行比较，并返回一个特定类型的结果，这些类型包括 std::strong_ordering、std::weak_ordering 以及 std::partial_ordering ：

• std::strong_ordering：适用于完全可比较的对象，其返回结果为 less（小于）、equal（等于）或 greater（大于）。
• std::weak_ordering：用于对象可能存在不可比较情况的场景，结果为 less（小于）、equivalent（等价）或 greater（大于）。
• std::partial_ordering：同样适用于对象可能有不可比较情况的场景，结果除了 less（小于）、equivalent（等价）或 greater（大于）之外，还可能返回 unordered（无序）。

（三）使用 <=> 的优势

1. 简化代码：有了 <=> 运算符，我们只需要定义这一个运算符就可以了。编译器会自动为我们生成其他相关的比较运算符，比如 <、>、<=、>= 和 ==，大大减少了我们的代码量。
2. 一致性：手动实现多个比较运算符时，很容易出现各个运算符之间逻辑不一致的问题。而使用 <=> 运算符，编译器自动生成的其他比较运算符能够保证逻辑上的一致性，避免了这种潜在的错误。
3. 性能优化：编译器在生成使用 <=> 的比较代码时，可以进行优化，生成更高效的代码，减少了重复实现比较逻辑所带来的开销。

（四）应用实例

示例 1：自定义类的比较逻辑

我们以一个简单的 Point 类为例，它用于表示二维平面上的点。使用 <=> 运算符来实现它的比较逻辑，代码如下：

#include <compare>
#include <iostream>

struct Point {
    int x, y;

    auto operator<=>(const Point& other) const = default;
};

int main() {
    Point p1{1, 2}, p2{2, 3};
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << "p1 == p2: " << (p1 == p2) << "\n";
    std::cout << "p1 < p2: " << (p1 < p2) << "\n";
    std::cout << "p1 > p2: " << (p1 > p2) << "\n";
    return 0;
}

在这个例子中，Point 类通过 operator<=> 的默认实现，编译器会自动为它生成所有比较运算符的实现。这样我们就可以直接使用各种比较运算符来对 Point 对象进行比较了，非常方便。

示例 2：复杂类的比较逻辑

当类的比较逻辑比较复杂，不能使用默认实现时，我们可以手动实现 <=> 运算符。比如我们有一个 Person 类，它的比较逻辑是基于名字和年龄的，代码如下：

#include <compare>
#include <string>

struct Person {
    std::string name;
    int age;

    auto operator<=>(const Person& other) const {
        if (auto cmp = name <=> other.name; cmp != 0) {
            return cmp;
        }
        return age <=> other.age;
    }
};

在这个 Person 类中，比较逻辑首先比较名字，如果名字不相等，就直接返回名字比较的结果；如果名字相等，再比较年龄并返回年龄比较的结果。

二、operator==() = default

（一）背景与动机

在 C++20 之前，要是我们想为一个类定义 operator== 运算符，就必须手动去实现。这不仅增加了代码的编写量，而且在实现过程中也很容易出现错误。C++20 引入的 operator==() = default 特性，为我们解决了这个问题，它允许编译器自动为类生成默认的相等比较运算符，让我们的编程工作更加轻松。

（二）operator==() = default 的定义

operator==() = default 这个语法的作用是告诉编译器，为当前类生成一个默认的相等比较运算符。这个默认的相等比较运算符会逐个比较类的成员变量，如果所有成员变量的值都相等，就返回 true；只要有一个成员变量不相等，就返回 false。

（三）使用 operator==() = default 的优势

1. 减少代码量：使用 operator==() = default 后，我们就不需要手动去实现复杂的相等比较逻辑了，编译器会帮我们自动生成，大大减少了我们的代码编写量。
2. 一致性：编译器生成的相等比较运算符的实现是经过严格测试和优化的，是安全且一致的，避免了我们手动实现时可能出现的逻辑错误。
3. 易于维护：当类的成员变量发生变化时，比如增加或删除了某些成员变量，我们不需要手动去更新相等比较逻辑，编译器会根据新的成员变量自动调整生成的 operator== 运算符，维护起来更加方便。

（四）应用实例

示例 1：自动生成相等比较逻辑

我们来看一个 Employee 类的例子，它包含姓名和工号两个成员变量。使用 operator==() = default 来自动生成相等比较逻辑，代码如下：

struct Employee {
    std::string name;
    int id;

    bool operator==(const Employee& other) const = default;
};

在这个例子中，operator==() 的默认实现会自动比较 name 和 id 这两个成员变量。只有当 name 和 id 都相等时，才会返回 true，否则返回 false。

示例 2：结合 <=> 使用

在实际的 C++ 开发中，<=> 和 operator==() = default 这两个特性常常可以很好地结合使用。比如下面这个例子：

struct Employee {
    std::string name;
    int id;

    auto operator<=>(const Employee& other) const = default;
    bool operator==(const Employee& other) const = default;
};

在这个 Employee 类中，<=> 运算符用于生成完整的比较逻辑，包括小于、大于、等于等各种比较关系；而 operator== 则用于提供更直观的相等比较操作，方便我们在代码中判断两个 Employee 对象是否相等。

三、总结

C++20 中的三路比较运算符 <=> 和 operator==() = default 这两个特性，无疑是现代 C++ 编程中的重要组成部分。它们通过简化比较运算符的实现过程，有效地提高了代码的可读性和一致性。在实际编程中，合理运用这两个特性，能够让我们编写出更加简洁、高效的代码。

希望通过本文的介绍，大家对 C++20 的这两个特性有了更深入的理解和掌握。如果你对 C++20 的其他新特性也感兴趣，不妨继续深入探索，相信会有更多的收获和惊喜等着你！