快速了解C++17 std:: filesystem的原理和使用

第一章: 基本介绍

filesystem 库是 C++17 中引入的一个重要特性，它提供了一系列用于文件系统操作的功能。这个库包含在 <filesystem> 头文件中，并且定义在 std::filesystem 命名空间内。

std::filesystem 库提供了许多功能，包括但不限于：

1. 路径操作(std::filesystem::path): 用于处理文件和目录路径的类。

• 操作如拼接、解析、检查路径格式等。

2. 文件和目录的创建、删除和查询:

• 创建和删除文件夹 (create_directory, remove, remove_all 等)。
• 检查文件或文件夹的存在 (exists) 和状态 (is_directory, is_regular_file 等)。

3. 文件大小和文件系统空间信息:

• 查询文件大小 (file_size)，以及文件系统的空闲空间和容量 (space 等)。

4. 文件和目录的复制、移动和重命名:

• 如 copy, copy_file, move, rename 等函数。

5. 目录遍历:

• 使用 std::filesystem::directory_iterator 或 std::filesystem::recursive_directory_iterator 遍历目录。

6. 文件属性和权限:

• 获取和设置文件权限 (permissions)，读取最后一次修改时间 (last_write_time) 等。

7. 路径和文件系统错误处理:

• std::filesystem 中的许多函数都会抛出 std::filesystem::filesystem_error 异常，用于错误处理。

这些功能大大简化了文件系统相关的操作，并且使得代码更加标准化和可移植。如果你有特定的问题或需要更详细的解释，请随时提问。

1.1 不支持文件编码操作

C++标准库（包括C++17的filesystem库）并没有直接提供用于获取或更改文件编码的功能。filesystem库专注于文件系统的操作，如路径处理、文件的创建和删除、目录遍历等，而不涉及文件内容的具体编码。

处理文件编码通常涉及以下几个方面：

1. 识别文件编码：没有通用的、标准的方法来自动检测文本文件的编码。某些编码（如UTF-8）可能包含特定的字节序标记（BOM），但这并不是普遍的。通常，识别文件编码需要特定的库或算法。
   
2. 读取和写入特定编码的文本：你可以使用C++的I/O库（如<iostream>、<fstream>）来读取和写入文本文件，但这些库通常处理的是未编码的字节流或使用执行环境的默认编码。对于特定的编码（如UTF-8或UTF-16），你可能需要使用专门的库来正确处理。
   
3. 转换文件编码：更改文件的编码通常意味着读取文件的原始编码，然后将文本转换为目标编码。这需要对原始编码和目标编码都有很好的处理能力。在C++中，这通常涉及到使用第三方库，如 ICU（International Components for Unicode）或Boost现有的字符串转换功能。
   

如果你需要在C++程序中处理文件编码，你可能需要寻找并集成这样的第三方库。例如，ICU是一个广泛使用的、功能强大的库，用于处理不同的字符编码和进行复杂的文本操作。Boost库也提供了一些用于字符编码转换的工具，虽然它们可能没有ICU那么全面。

第二章:底层原理

在 Linux 下，C++17 的 filesystem 库的许多操作实际上是基于底层的系统调用实现的。这是因为文件系统的操作需要与操作系统的核心部分进行交互，而系统调用提供了用户空间与内核空间之间的接口。

举几个例子：

1. 文件的创建和删除：例如，当你使用 std::filesystem::create_directory 创建一个新目录时，底层可能会调用类似于 mkdir 的系统调用。类似地，删除文件或目录可能会使用 unlink 或 rmdir 系统调用。
   
2. 文件信息查询：获取文件状态的操作（如 std::filesystem::is_directory 或 std::filesystem::file_size）通常会使用 stat 或类似的系统调用来获取文件的元数据。
   
3. 文件复制和移动：这些操作可能会结合多个系统调用，如 open, read, write 和 close 用于文件复制，以及 rename 用于移动文件。
   
4. 目录遍历：遍历目录结构，如使用 std::filesystem::directory_iterator，底层通常会使用 opendir, readdir, 和 closedir 系统调用。
   

虽然 std::filesystem 库提供了一个高级和跨平台的接口，使得文件系统操作更加容易和一致，但它的实现细节依赖于操作系统的特定特性和系统调用。这意味着，尽管 C++ 代码看起来是平台无关的，但其实现在不同平台（如 Linux、Windows）之间可能会有所不同。

2.1 拷贝操作的性能

在比较 C++ std::filesystem::copy 函数和 Unix/Linux 的 cp 命令在性能方面时，通常不会发现一个明显快于另一个的情况。性能差异主要受以下因素影响：

1. 底层实现：std::filesystem::copy 在不同的编译器和标准库实现中可能会有所不同。通常，这些函数都是用高效的方式实现的，但它们可能不会针对特定的系统进行优化。而 cp 命令是专门为 Unix/Linux 系统设计和优化的，它可能会使用一些特定的技巧或优化来提高性能。
   
2. 系统调用和缓冲：文件复制涉及到读取源文件和写入目标文件的系统调用。这些调用的效率可能会受到文件系统类型、缓冲策略和内核优化的影响。cp 命令可能会更好地利用系统缓冲和流水线。
   
3. 附加功能：cp 命令提供了一些额外的功能，如条件复制（只在需要时复制）、备份和交互模式等。如果使用这些附加功能，性能可能会受到影响。
   
4. 上下文开销：使用 C++ std::filesystem::copy 意味着你可能已经在一个更大的C++程序上下文中，这可能涉及到额外的初始化和清理操作。相比之下，直接在命令行上运行 cp 命令可能会有更少的上下文开销。
   

综上所述，std::filesystem::copy 和 cp 命令的性能差异通常不会很大，并且这种差异更可能是由于特定环境和使用上下文的不同所致。在实际应用中，选择使用哪一个通常取决于具体需求：如果你需要在C++程序中直接处理文件复制，那么 std::filesystem::copy 是一个合适的选择；如果你是在 shell 环境中操作，或者需要更复杂的命令行选项，cp 命令可能是更好的选择。

第三章:综合示例

以下是一个示例代码，演示了一些基本的 std::filesystem 操作：

#include <iostream>
#include <filesystem>
#include <fstream>
namespace fs = std::filesystem;
int main() {
    // 设置测试目录和文件的路径
    fs::path dir_path = "test_dir";
    fs::path file_path = dir_path / "test_file.txt"; // 使用 / 来拼接路径
    // 创建一个目录 (底层可能使用 mkdir 系统调用)
    if (!fs::exists(dir_path)) {
        fs::create_directory(dir_path);
    }
    // 创建并写入一个文件 (底层可能使用 open, write 系统调用)
    std::ofstream file(file_path);
    file << "Hello, Filesystem!";
    file.close();
    // 检查文件是否存在 (底层可能使用 stat 系统调用)
    if (fs::exists(file_path)) {
        std::cout << "File created successfully.\n";
    }
    // 读取文件大小 (底层可能使用 stat 系统调用)
    std::cout << "File size: " << fs::file_size(file_path) << " bytes.\n";
    // 重命名文件 (底层可能使用 rename 系统调用)
    fs::path new_file_path = dir_path / "renamed_file.txt";
    fs::rename(file_path, new_file_path);
    // 遍历目录 (底层可能使用 opendir, readdir, closedir 系统调用)
    std::cout << "Contents of directory:\n";
    for (const auto& entry : fs::directory_iterator(dir_path)) {
        std::cout << entry.path() << std::endl;
    }
    // 删除文件和目录 (底层可能使用 unlink, rmdir 系统调用)
    fs::remove(new_file_path);
    fs::remove(dir_path);
    return 0;
}

这个示例代码演示了如何创建和删除目录、创建和重命名文件、检查文件是否存在、获取文件大小以及遍历目录的内容。每个操作旁边的注释给出了可能对应的底层 Linux 系统调用。但请注意，这些只是可能的对应关系，实际的系统调用可能会因为操作系统和标准库的实现不同而有所不同。

要运行这段代码，你需要一个支持 C++17 的编译器，因为 filesystem 库是 C++17 中新增的特性。同时，确保你的编译器配置正确，有些编译器可能需要链接特定的库来使用 filesystem 功能。

结语

在我们的编程学习之旅中，理解是我们迈向更高层次的重要一步。然而，掌握新技能、新理念，始终需要时间和坚持。从心理学的角度看，学习往往伴随着不断的试错和调整，这就像是我们的大脑在逐渐优化其解决问题的“算法”。

这就是为什么当我们遇到错误，我们应该将其视为学习和进步的机会，而不仅仅是困扰。通过理解和解决这些问题，我们不仅可以修复当前的代码，更可以提升我们的编程能力，防止在未来的项目中犯相同的错误。

我鼓励大家积极参与进来，不断提升自己的编程技术。无论你是初学者还是有经验的开发者，我希望我的博客能对你的学习之路有所帮助。如果你觉得这篇文章有用，不妨点击收藏，或者留下你的评论分享你的见解和经验，也欢迎你对我博客的内容提出建议和问题。每一次的点赞、评论、分享和关注都是对我的最大支持，也是对我持续分享和创作的动力。