三路比较运算符和减法有何不同？

Question

C++20中引入了新的比较运算符<=>，但我认为在大多数情况下，简单的减法运算就可以胜任：

有一个新的比较运算符<=>，但是我认为在大多数情况下使用简单的减法即可。

int my_strcmp(const char *a, const char *b) {
    while (*a == *b && *a != 0 && *b != 0) {
        a++, b++;
    }
    // Version 1
    return *a - *b;
    // Version 2
    return *a <=> *b;
    // Version 3
    return ((*a > *b) - (*a < *b));
}

它们有相同的效果。我真的不太理解它们之间的区别。

- iBug

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整数减法是一种旧的技巧，用于进行三路比较，但它可能会受到溢出的影响。对于无符号类型，它也不总是有效。替代方法是 ((*a > *b) - (*a < *b))。 - miravalls

甚至有人提出允许任何具有默认 <=> 的类型成为非类型模板参数的讨论。这个运算符的影响超出了仅仅替换一种仅适用于算术类型的操作。 - chris

@iBug：那么...你计划如何对不是字符数组的东西进行三向比较？ - Nicol Bolas

@edc65 这就是我所问的。 - iBug

@wvxvw 你是不是想说 (2 ** (sizeof(char) * CHAR_BIT))？ - iBug

Answer 1

这个运算符解决了减法产生数值溢出的问题：如果你从一个接近INT_MIN的负数中减去一个大正数，就会得到一个不能表示为int的数字，从而导致未定义的行为。

虽然版本3已经没有了这个问题，但它缺乏可读性：对于从未见过这种技巧的人来说，需要一些时间才能理解。 <=> 运算符也解决了可读性问题。

这是新运算符解决的问题之一。Herb Sutter的Consistent comparison论文第2.2.3节讨论了在语言的其他数据类型中使用<=>运算符的情况，在那里减法可能会产生不一致的结果。

- Sergey Kalinichenko

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请问您能否解释一下理解第三个版本的技巧吗？在我看来，它似乎是 (false/true - true/false)。 - asgs

这个技巧利用了 C/C++ 中布尔值的“对偶性”，其中由比较运算符返回的 true 和 false 值实际上分别是整数 1 和 0。这个 Q&A提供了更多关于此技巧的详细信息。 - Sergey Kalinichenko

Answer 2

这里有一些减法无法使用的情况：

1. unsigned 类型。
2. 导致整数溢出的操作数。
3. 用户定义类型未定义 operator -（也许是因为它没有意义 - 一个人可以定义一个顺序而不定义距离概念）。

我怀疑这个列表并非详尽无遗。

当然，至少可以针对#1和#2提出解决办法。但 operator <=> 的目的是封装这种丑陋的细节。

- Oliver Charlesworth

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请注意，在字符串上进行3路比较（不仅是const char*，而是实际的字符串类）是一个合理的操作。但是，对两个字符串进行减法运算是不合理的。 - Nicol Bolas

Answer 3

这里有一些有意义的答案，关于它们之间的差异，但是Herb Sutter在他的论文中明确表示：

<=>是为类型实现者设计的：使用者代码（包括通用代码）在不涉及<=>实现的情况下，几乎永远不应直接调用<=>（正如其他语言已经发现的良好实践）;

因此，即使没有区别，运算符的重点也不同：帮助类编写者生成比较运算符。

根据Sutter的提议，减法运算符和“飞船”运算符之间的核心区别在于：重载operator-会给你一个减法运算符，而重载operator<=>会：

• 给您6个核心比较运算符（即使您将运算符声明为default：无需编写任何代码！）；
• 声明您的类是否可以比较、可排序以及顺序是总体还是部分（在Sutter的提议中是强/弱）；
• 允许进行异构比较：您可以将其重载以将您的类与任何其他类型进行比较。

其他区别在于返回值： operator<=>会返回一个类的enum，该类指定类型是否可排序以及排序是强还是弱。返回值将转换为-1、0或1（尽管Sutter留有余地让返回类型也能表示距离，如strcmp所做的那样）。无论如何，假设返回值为-1、0、1，则我们最终将得到C ++中真正的符号函数！（signum(x) == x<=>0）

- Cris Luengo