如何为采用pimpl惯用法的C++类稳定实现太空船运算符？

我有一个采用pimpl惯用法的类，代码如下：

class MyImpl;

class MyClass
{
public:

private:
    MyImpl* _impl;
};

我希望为该类添加spaceship operator（太空船运算符）支持，理想实现如下：

auto operator<=>(const MyClass& rhs) const
{
    return *_impl <=> *rhs._impl;
}

但由于MyImpl的实现不在头文件中，运算符实现需放在源文件，无法使用auto作为返回类型，必须明确指定返回类型为std::strong_ordering、std::weak_ordering或std::partial_ordering，而这取决于MyImpl的成员类型。若MyImpl仅含int类型，返回类型为std::strong_ordering；若包含float类型，则为std::partial_ordering。我希望MyClass的类声明尽量少改动，在允许修改MyImpl成员类型的同时保持API稳定，不想总是返回std::partial_ordering，请问该如何处理？

可以通过**类型萃取（traits）**的方式延迟确定返回类型，既不需要修改MyClass的核心声明逻辑，又能根据MyImpl的实际成员类型自动推导正确的太空船运算符返回类型，保持API稳定。

步骤1：头文件中添加类型萃取声明与运算符声明 #

在MyClass的头文件中，先声明一个辅助的traits类，再用它定义MyClass的运算符返回类型别名，最后声明运算符：

#include <compare>
#include <utility> // 用于std::declval

class MyImpl;

// 辅助traits类，用于获取MyImpl的太空船运算符返回类型
template<typename T>
struct impl_ordering_traits;

// 针对MyImpl的特化声明（定义放在源文件中）
template<>
struct impl_ordering_traits<MyImpl>;

class MyClass
{
public:
    // 用traits确定的类型作为运算符返回类型
    using ordering_type = typename impl_ordering_traits<MyImpl>::type;
    
    // 声明太空船运算符
    ordering_type operator<=>(const MyClass& rhs) const;

private:
    MyImpl* _impl;
};

步骤2：源文件中实现traits与运算符 #

在包含MyImpl定义的源文件中，先完成MyImpl的实现（包括它的太空船运算符），再特化traits类获取实际返回类型，最后实现MyClass的运算符：

#include "MyClass.h"

// 实现MyImpl，成员类型可按需修改
class MyImpl
{
    // 示例1：int类型，对应std::strong_ordering
    int value;
    // 示例2：float类型，对应std::partial_ordering
    // float value;

public:
    // 用default自动生成对应成员类型的太空船运算符
    auto operator<=>(const MyImpl& rhs) const = default;
};

// 特化traits，推导MyImpl太空船运算符的实际返回类型
template<>
struct impl_ordering_traits<MyImpl>
{
    using type = decltype(std::declval<const MyImpl&>() <=> std::declval<const MyImpl&>());
};

// 实现MyClass的太空船运算符
MyClass::ordering_type MyClass::operator<=>(const MyClass& rhs) const
{
    return *_impl <=> *rhs._impl;
}

原理说明 #

• 头文件中的impl_ordering_traits仅做声明，其特化定义放在源文件中，依赖MyImpl的完整类型推导返回类型，避免了头文件中需要MyImpl完整定义的问题。
• ordering_type作为MyClass的公开类型别名，会自动跟随MyImpl的成员类型变化而更新，无需修改头文件，保持API稳定。
• 当MyImpl的成员类型从int改为float时，ordering_type会自动从std::strong_ordering变为std::partial_ordering，编译器会自动适配，无需手动修改返回类型声明。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Tohnmeister