C++20中用太空船运算符明确std::weak_ordering的语义问题

问题 #

我正在学习C++20中的std::strong_ordering和std::weak_ordering。根据文档，std::strong_ordering要求等价值不可区分，而std::weak_ordering则无此要求。

在研究std::weak_ordering（尤其是在太空船运算符<=>的语境下）时，我常遇到如下表示乘法表达式的示例结构体：

// Represents a multiplication expression, the result of which is (multiplicand * multiplier)
struct Multiplication {
    int multiplicand;
    int multiplier;
};

该结构体应属于弱排序，因为不同的被乘数和乘数组合可得到相同结果，即等价值可区分（如Multiplication{3, 2}、Multiplication{6, 1}和Multiplication{1, 6}都代表6）。

但比较该结构体的常规写法默认返回std::strong_ordering，因为乘法结果是int类型，属于强排序：

struct Multiplication {
    int multiplicand;
    int multiplier;

    // This returns std::strong_ordering by default
    auto operator<=>(Multiplication rhs) const 
    {
        return (multiplicand * multiplier) <=> (rhs.multiplicand * rhs.multiplier);
    }
};

请问在此场景下，是否需要显式指定返回类型为std::weak_ordering以保证语义准确？

回答 #

需要显式指定返回类型为std::weak_ordering来保证语义准确，核心原因如下：

• 语义匹配：Multiplication类型完全符合弱排序的定义——存在值相等但可区分的实例（不同乘数组合得到相同乘积），这和std::weak_ordering的语义完全吻合；而std::strong_ordering要求相等实例必须完全不可区分，显然这里不满足该条件。
• 消除语义歧义：当前写法依赖int的<=>返回std::strong_ordering，虽然能完成比较逻辑，但会给代码阅读者传递错误信号，让他们误以为相等的Multiplication实例是不可区分的。显式指定返回类型能清晰传达类型的排序特性，避免后续维护中的误解。
• 契合C++20设计初衷：太空船运算符的返回类型就是用来明确表达类型排序语义的，当类型自身的排序特性和底层比较值的排序特性不一致时，显式指定正确返回类型是符合C++20引入多种排序类型的核心设计意图的。

你可以通过两种方式修改代码：

方式一：手动返回对应排序值 #

#include <compare>

struct Multiplication {
    int multiplicand;
    int multiplier;

    std::weak_ordering operator<=>(Multiplication rhs) const 
    {
        const auto lhs_prod = multiplicand * multiplier;
        const auto rhs_prod = rhs.multiplicand * rhs.multiplier;
        
        if (lhs_prod == rhs_prod) {
            return std::weak_ordering::equivalent;
        }
        return lhs_prod < rhs_prod ? std::weak_ordering::less : std::weak_ordering::greater;
    }
};

方式二：利用std::weak_order转换结果 #

#include <compare>

struct Multiplication {
    int multiplicand;
    int multiplier;

    std::weak_ordering operator<=>(Multiplication rhs) const 
    {
        return std::weak_order(multiplicand * multiplier, rhs.multiplicand * rhs.multiplier);
    }
};

内容的提问来源于stack exchange，提问作者RaisinCrab