[C++20] Three-way comparison

Three-way comparison(3방향 비교?)는 C++20에 새롭게 등장한 연산자 표현식입니다.

기본적인 형태는 a <=> b 로 표현하고, 피연산자간의 관계를 비교하기 위해서 사용합니다.
(형태가 우주선과 비슷하여 spaceship operator로 주로 불리는듯 합니다.)

가장 간단한 사용은 아래와 같습니다.

(a <=> b) < 0 // a < b일 경우 true를 리턴합니다.
(a <=> b) > 0 // a > b일 경우 true를 리턴합니다.
(a <=> b) == 0 // a == b일 경우 true를 리턴합니다.

위 간단한 코드를 통해 사용법이 strcmp와 유사하다는 것을 느끼실 수 있습니다.

하지만 단순히 위와 같이 사용된다면 해당 연산자에 대한 필요성에 의구심이 들 수 있습니다. 왜냐하면 위의 경우는 Two-way comparison으로도 충분히 표현할 수 있기 때문입니다. 따라서 용도를 제대로 파악하려면, Three-way comparison가 나온 계기에 대해서 이해해볼 필요가 있습니다.

 

일반적으로 두 객체를 비교할 수 있다면 해당 객체는 Orderd Type이고, 이는 즉 객체간의 관계가 존재함을 나타냅니다.

그리고 Three-way comparison 연산자 등장하기 전에는 이러한 비교 연산의 결과로 항상 true, false만 존재했습니다.

하지만, 두 피연산자의 관계에는 true, false를 제외하고 더 많은 상태가 존재할 수 있습니다. 

객체의 모든 멤버에 대해서 비교가 이루어질 경우 strong equality, strong ordering이라고 할 수 있습니다. 그리고 몇몇 객체에 대해서만 비교가 행해진다면 이는 weak equality, weak ordering이라고 합니다.

이렇게 비교에는 다양한 상태가 존재할 수 있습니다. 그리고 Three-way comparison는 이러한 상태를 표현하기 위해서 등장하였습니다.

 

또한 boiler-plate 코드를 상당히 줄일 수 있습니다. 아래 처럼 어떤 객체를 완전히 비교하기 위해서는 아래와 같이 비교 연산자에 대해서 모두 구현해줘여 할 것입니다.

하지만 C++20의 을 사용하게 된다면 하나의 <=> 연산자를 구현함으로서 위의 모든 코드를 생략할 수 있습니다.

또한 default 연산자를 제공해주기 때문에 구현체 없이 아래와 같이 한줄로도 나타낼 수 있습니다.
(Compiler가 자동으로 <=>연산자를 생성하지 않는 이유에 대해서는 뒤에서 이야기 해보겠습니다.)

 

그리고 이번엔 멤버별 비교를 수행하기 위해서 아래와 같은 구조체가 있습니다. 그런데 이전과 다르게 첫 번째 멤버 변수가 ByteString이라는 객체입니다. 

C++20 이전에는 객체간 비교연산을 위해서 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

그리고 Three-way comparison을 사용하면 아래와 같이 표현할 수 있습니다. 우선 comp != 0을 통해서 두 변수가 같은지 판단합니다. 그리고 만약 같지 않다면 그대로 strong_ordering객체 (cmp)를 리턴하고, 그렇지  않다면 그 다음 변수를 비교하는 방식으로 <=>을 구현해 볼 수 있습니다.

참고로 의 default 구현체도 위와 유사하게 구현되어 있습니다.

비정적 멤버들을 산술적으로 비교하면서 재귀적으로 <=>을 호출하게 되고 같지 않은 결과가 나오게 되면 조기에 중단합니다.

출처: cppreference

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그리고 위와 같이 Three-way comparison을 정의했다고 해서, 객체를 비교하기 위해서 <=>을 사용할 필요가 없습니다.

오히려 가이드라인에서는 ==, <, >=, ... 등등 기존 비교연산자를 사용하고, 사용해야 한다면 synth_three_way와 같은 helper을 사용하기를 권장하고 있습니다.

 

comparison category types

• strong_ordering
  a와 b가 완전히 같음을 의미합니다.
  즉 a대신 b를 사용했을때 동일한 결과를 리턴합니다. (substitutability)
  또한 비교할 수 없는 값을 허용하지 않습니다. → a < b, a == b 또는 a > b 중 정확히 하나는 true이어야 합니다.

• weak_ordering
  weak_ordering값이 == 0 이라고 해서 a와 b가 같다고 볼 수 없습니다.
  즉, a대신 b를 사용했을때 동일한 결과를 보장하지 않습니다.
  또한 비교할 수 없는 값을 허용하지 않습니다. → a < b, a == b 또는 a > b 중 정확히 하나는 true이어야 합니다.

• partial_ordering
  partial_ordering값이 == 0 이라고 해서 a와 b가 같다고 볼 수 없습니다.
  즉, a대신 b를 사용했을때 동일한 결과를 보장하지 않습니다.
  또한 이전 두 반환 타입과 다르게 비교할 수 없는 값

위에서 확인할 수 있듯이 단순히 값을 비교하는 것을 넘어서 현재 비교 수준이 어떻게 되는지 알 수 있습니다. 

참고로, 가장 강한 비교 타입은 그 보다 약한 비교 타입으로 암시적 변환이 가능합니다.
예를 들어 strong_ordering은 weak_ordering이나 parital_ordering으로 암시적 변환이 가능합니다. 하지만 그 역은 불가능 합니다.

 

참고 비교 비교에 대해 수학적으로 접근하여 정리해 놓은 글이 있습니다. 이 글을 참고하면 C++에서 비교 연산자를 구현할 때 좀더 명확한 기준점을 세우는데 도움이 될거 같습니다.
Mathematics behind Comparison #1: Equality and Equivalence Relations (foonathan.net)

Mathematics behind Comparison #1: Equality and Equivalence Relations

 

Reference

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CppCon 2019: Jonathan Müller “Using C++20's Three-way Comparison ＜=＞” - YouTube

Comparison operators - cppreference.com