C++ 17 标准库中 `std::filesystem::path` 的移动语义和深拷贝实现

作者

在 C++ 17 标准中，std::filesystem::path 被设计为一个轻量级、可移动、可复制的字符串包装器，用于表示文件系统路径。由于路径字符串可能很长且频繁被传递，移动语义的实现显得尤为重要。本文将深入探讨 std::filesystem::path 的移动构造和移动赋值运算符，以及如何通过自定义实现安全的深拷贝。

1. 设计目标

  • 轻量级：path 对象内部应保持最小开销，避免不必要的堆分配。
  • 可移动：移动操作应为 O(1)，仅需移动指针或引用计数，而非完整拷贝字符串。
  • 安全拷贝：拷贝操作应在必要时深拷贝，保证独立的内部状态，避免共享指针导致的内存泄漏或悬挂指针。

2. 典型实现思路

下面给出一种可能的实现方案，演示如何通过共享字符串（引用计数）与移动语义结合，实现高效且安全的路径对象。

#include <string>
#include <memory>
#include <cstring>

class Path {
public:
    // 构造
    Path(const char* p) : data_(new std::string(p)) {}
    Path(const std::string& s) : data_(new std::string(s)) {}
    Path(Path&& other) noexcept : data_(std::move(other.data_)) { other.data_ = nullptr; }
    Path(const Path& other) : data_(new std::string(*other.data_)) {}

    // 赋值
    Path& operator=(Path&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            data_ = std::move(other.data_);
            other.data_ = nullptr;
        }
        return *this;
    }
    Path& operator=(const Path& other) {
        if (this != &other) {
            delete data_;
            data_ = new std::string(*other.data_);
        }
        return *this;
    }

    const char* c_str() const { return data_->c_str(); }

private:
    std::string* data_;
};

2.1 关键点说明

  1. 移动构造

    • 直接转移 data_ 指针，避免了字符串拷贝。
    • 将源对象的 data_ 置为 nullptr，确保其析构时不再释放内部资源。

  2. 拷贝构造

    • 通过 new std::string(*other.data_) 生成新的字符串，实现深拷贝。
    • 这样每个对象都有独立的 std::string，互不影响。

  3. 移动赋值

    • 同移动构造，只需转移指针并清理源对象指针。

  4. 拷贝赋值

    • 先 delete 原有 data_，再进行深拷贝，确保资源安全。

  5. 析构

    • 默认析构会 delete data_，但若 data_ 为 nullptr，delete 也安全。

3. 对比标准实现

标准库实现通常采用 std::shared_ptr<std::string> 或内部的 basic_string_view 结合引用计数，以进一步减轻内存分配压力。上例的核心思想与标准实现一致：

  • 移动：仅转移内部指针或引用计数。
  • 拷贝：在必要时深拷贝，保持对象独立。

4. 安全性与性能

  • 线程安全：若使用 std::shared_ptr，引用计数操作是原子性的，线程安全；上例的裸指针不具备此特性，需要额外同步措施。
  • 性能：移动操作为 O(1)，拷贝操作为 O(n)，其中 n 为路径字符串长度。
  • 异常安全：所有分配都在构造或赋值中使用 RAII，异常抛出时资源得到正确释放。

5. 小结

通过上述实现，Path 对象既支持高效的移动语义，又能在需要时安全地深拷贝。实际项目中，可以根据需求选择使用裸指针、std::unique_ptr 或 std::shared_ptr 等智能指针，来平衡性能、线程安全与实现简洁性。C++ 17 的 std::filesystem::path 设计充分体现了这一理念，值得我们在自定义字符串包装器时参考借鉴。

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