为何C++20中std::pair比较优先选择类型转换而非自定义operator<？

切换到C20后，部分测试用例出现失败，以下代码在C17和C++20模式下输出结果存在明显差异：

class MyString
{
public:
    operator char const *() const
    {
        std::printf("convert ");
        return nullptr;
    }

    bool operator<(MyString const & other) const
    {
        std::printf("MyString::operator< ");
        return 1;
    }
};

int main()
{
    MyString s1;
    MyString s2;
    std::printf("s1 < s2 = %d\n", s1 < s2);

    std::pair<MyString, MyString> pair1;
    std::pair<MyString, MyString> pair2;
    std::printf("pair1 < pair2 = %d\n", pair1 < pair2);
}

C++17输出

MyString::operator< s1 < s2 = 1
MyString::operator< pair1 < pair2 = 1

C++20输出

MyString::operator< s1 < s2 = 1
convert convert convert convert pair1 < pair2 = 0

看起来std::pair::operator<=>会优先选择通过隐式转换合成的比较逻辑，而非MyString自定义的operator<，这是为什么？

注：已知将转换运算符设为explicit可以解决该问题，但希望了解导致此行为的根本原因。

核心原因解析 #

1. C17与C20中std::pair比较机制的本质区别

• C++17及更早版本：std::pair::operator<是显式实现的字典序比较，逻辑为逐元素调用operator<：先比较first成员，若lhs.first < rhs.first为真则返回true；若rhs.first < lhs.first为真则返回false；再对second成员执行相同逻辑。因此对于MyString类型，会直接调用你自定义的operator<，不会触发隐式转换。
• C++20版本：std::pair默认生成三路比较运算符operator<=>，其逻辑为逐元素执行三路比较：先对first成员执行lhs.first <=> rhs.first，若结果不为equal则直接返回；否则再对second成员执行同样操作。同时，C++20中operator<会由operator<=>自动合成（若用户未自定义）。

2. MyString的重载决议路径选择

你的MyString仅定义了二元布尔型operator<，并未定义operator<=>。根据C++20规则，当用户自定义了operator<时，编译器不会自动为类合成operator<=>。

当std::pair的operator<=>尝试比较MyString成员时，编译器找不到适配的operator<=>，于是会寻找其他可行的比较路径：

• MyString提供了**隐式转换到const char***的运算符，而const char*作为指针类型，在C++20中拥有默认的operator<=>（属于基本类型的三路比较实现）。
• 这条转换路径是合法且可行的，因此编译器会将两个MyString对象分别转换为const char*（每次转换触发convert输出），再执行三路比较——这就是四次convert输出的由来（pair的first和second成员各转换一次）。

3. 最终结果差异的来源

转换后的const char*均为nullptr，三路比较结果为equal，因此std::pair的整体比较结果是相等的。而C20中由operator<=>合成的operator<在比较结果为相等时会返回false，所以输出0；而C17中直接调用MyString::operator<返回true，因此输出1。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Osyotr