三路比较运算符 <=>¶

标准	难度	状态	分级	证据	审阅	最后校验
C++20	3/5	final	A	3 条（manual 3）	单审（zyuhao7）	2026-10-24

编译器支持：GCC 10+ · Clang 10+ · MSVC 19.20+。版本查询：cppreference 编译器支持。

主张与证据¶

主张	支持证据
为 basic_json 实现三路比较并保留无序结果	ev-json-spaceship-basic-json-003
用 <=> 比较 JSON Pointer 的 token 序列	ev-json-spaceship-pointer-001
按预定义顺序比较值类型，无法比较时返回 unordered	ev-json-spaceship-value-type-002

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解决什么问题¶

C++20 之前，一个可比较类型要写六个运算符：==、!=、<、<=、>、>=。它们容易彼此不一致：比如 < 按一个字段比较，== 按另一个字段比较，排序结果与等价判断互相矛盾。手写六个函数还意味着六处维护点，任何字段变动都要同步修改。

<=> 用一个三路比较返回“小于/等于/大于”的序关系，编译器据此重写其余关系运算符。配合 = default，成员逐一比较可以一行生成，且顺序与声明顺序一致。

基础用法¶

#include <compare>
#include <iostream>

struct Version {
  int major;
  int minor;
  int patch;

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

int main() {
  Version a{1, 4, 0};
  Version b{1, 10, 0};
  std::cout << (a < b) << '\n';
  std::cout << (a == b) << '\n';
}

完整示例见 examples/cpp20/spaceship.cpp：

1
0
1
1.4.1 1.10.0 2.0.0
1
0 0 0

a <=> b 返回 std::strong_ordering；a < b 由编译器重写为 (a <=> b) < 0，a == b 由隐式声明的默认 operator== 处理。

进阶用法¶

三种序关系对应不同语义。 std::strong_ordering 表示相等即不可区分（整数、默认逐成员比较的结构体）；std::weak_ordering 表示等价但可区分（大小写不敏感的字符串）；std::partial_ordering 允许“无序”（浮点 NaN）。强的可以隐式转弱的，弱的可以转偏序，反向不行。

默认 <=> 会隐含默认 ==。 只写 auto operator<=>(const T&) const = default; 时，编译器同时声明默认 ==。若自己写了 ==，则不再生成。不要同时手写 <=> 和 == 却让两者比较不同字段。

<=> 的返回类型不是 bool。 返回 bool 会让 a < b 的重写语义失效，也丢失“相等/无序”的信息。自定义比较应返回三种序关系之一，或用 std::strong_order 等定制点把现有比较转成序关系。

浮点成员会把结果降为偏序。 默认逐成员比较时，只要有一个成员产生 partial_ordering（如 double），整个 <=> 就返回 partial_ordering；NaN 与任何值比较都是 unordered。用 std::is_eq、std::is_lt、std::is_lteq 等函数判断，而不是直接和 0 比较，可读性更好。

手写 <=> 要比 == 更严格。 约定是：a <=> b == 0 当且仅当 a == b。标准不强制检查，但违反约定会让排序容器与查找逻辑出现不一致。对大小写不敏感字符串，若 == 区分大小写而 <=> 不区分，应使用 weak_ordering 并让 == 与等价关系一致。

重写只发生在运算符缺失时。 如果类已经有 operator<，a < b 不会改走 <=>；如果已有 operator==，a == b 也不会由 <=> 重写。混用新旧运算符时，检查实际选中的是哪一个。

枚举与指针也可以默认比较。 枚举的 <=> 按底层值比较；指针的内置比较只保证同一数组内有序，跨对象结果未指定，需要全序时用 std::less。

真实项目证据¶

项目	位置	用法	为什么典型
nlohmann/json	`include/nlohmann/detail/json_pointer.hpp#L868-L872`	用 `<=>` 比较两个 JSON Pointer 的 token 序列	直接委托给已有容器的三路比较，不手写六个运算符
nlohmann/json	`include/nlohmann/detail/value_t.hpp#L95-L100`	按预定义顺序比较 JSON 值类型，无法比较时返回 `unordered`	偏序的典型用法：类型序不构成全序
nlohmann/json	`include/nlohmann/json.hpp#L3745-L3754`	为 `basic_json` 实现三路比较并保留无序结果	复杂类型的比较逻辑集中在一个入口，其余运算符由重写获得

三条证据均为 manual 级：作者复核，尚未引入第二名审核者。

陷阱与边界¶

不要返回 int 或 bool。 三路比较应返回序关系类型；返回 bool 会让 <、<= 等重写产生错误语义。
默认比较按声明顺序。 字段顺序改变会改变比较结果；把不影响身份的缓存字段放进比较会破坏等价关系。
== 与 <=> 可能不一致。 编译器不检查两者的语义一致性；容器查找用 ==，排序用 <=>，不一致时行为怪异。
浮点的 unordered 不是错误。 NaN 使比较返回 unordered，a < b、a == b、a > b 全为假；排序前要决定如何处理 NaN。
<=> 不是虚函数。 通过基类引用比较时按静态类型选择；多态比较仍需虚函数或类型擦除。
重写有作用域限制。 成员 <=> 只对同类型或可转换类型生效；异构比较需要额外重载或转换。
默认 <=> 要求所有成员可比较。 含不可比较成员的类不能默认生成；手写时也要保证返回类型能表达所有成员的结果。
std::strong_order 不是 <=> 的替代品。 它是定制点，用于把现有比较提升为指定序关系；不会自动为类生成运算符。

库联动¶

nlohmann/json：basic_json 的 <=> 先比较类型序，再比较值；无法比较的组合返回 partial_ordering::unordered。这让 JSON 值可以参与排序，同时保留“不同类型不可比”的语义。
与 concepts 联动：std::three_way_comparable 约束检查 <=> 的返回类型与一致性要求。用 concept 约束泛型排序函数，比在函数体里 static_assert 更早失败。
与 std::set / std::map 联动：默认比较器仍使用 std::less，它通过 < 工作；<=> 让 < 自动生成，因此有序容器可以直接使用新类型。注意 std::less 不要求全序之外的一致性。
与 fmt / spdlog 联动：序关系类型本身不可直接格式化；调试输出时用 std::is_lt 等转成布尔或字符串，避免打印出无意义的内部值。

横向对比¶

方案	需要实现的运算符	一致性	主要代价
`<=>` + `= default`	1 个（`==` 可自动生成）	成员顺序天然一致	需要 C++20；浮点成员得到偏序
手写六个运算符	6 个	容易互相矛盾	维护点多，字段变动易漏
`std::tie` 比较	每个运算符各写一次	字段顺序集中	仍需六个函数，且返回引用元组
`compare` 成员函数	1 个 + 六个转发	逻辑集中	样板代码仍在，调用方要记返回值约定
C++20 前的宏/CRTP	1 个宏 + 生成	取决于宏实现	可读性差，调试困难

跨标准演进：C++20 引入 <=>、序关系类型与运算符重写；C++23 未改变核心语义。C++26 的反射提案可能自动生成比较，但当前仍应显式声明 = default。