C++ STL之filesystem文件系统库详解

C++ STL之filesystem文件系统库详解

一、从 Boost 到标准库：filesystem 的前世今生

C++17 之前，跨平台文件操作是噩梦。Windows 用 GetFileAttributesW、Linux 用 stat、Mac 用 NSFileManager——每套 API 各有千秋，但无一适用于跨平台场景。多数项目转向 boost::filesystem，但 Boost 毕竟不是标准，团队引入需额外依赖、配置构建链。

C++17 正式将 std::filesystem 纳入标准库，头文件 <filesystem>，命名空间 std::filesystem。它统一了路径分隔符（/ vs \）、文件属性提取、目录遍历、磁盘容量查询等操作，且无第三方依赖。

#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;

int main() {
    fs::path p = "/home/user/file.txt";
    bool exists = fs::exists(p);
    return 0;
}

二、path 类与正规化

path 是 filesystem 库的核心类型，负责跨平台路径表示。它不检查路径是否真实存在，只做字符串操作。

常见操作

操作	说明
p.root_name()	返回根名（Windows 的 C:）
p.root_directory()	返回根目录（/ 或 \）
p.parent_path()	父路径
p.filename()	文件名（含后缀）
p.stem()	不带后缀的文件名
p.extension()	后缀（含 .）

正规化：lexically_normal

移除路径中的 .、.. 和多余分隔符，返回逻辑上"干净"的路径。

fs::path p = "a/./b/../c/file.txt";
fs::path norm = p.lexically_normal();
// 结果: "a/c/file.txt"

如果路径中有 . 表示当前目录，.. 表示上一级父目录，lexically_normal 会将它们约简。注意这是纯字符串操作，不会访问磁盘。

make_preferred

将路径分隔符转为当前平台惯用格式：Windows 转 \，POSIX 转 /。

fs::path p = "a/b/c";
p.make_preferred(); // Windows: a\b\c,  Linux: a/b/c

三、directory_entry 的缓存机制

directory_entry 封装了文件系统的一条记录，包括路径和属性。它的核心设计是缓存：首次访问文件属性后，结果会被内部缓存，后续访问不再触发系统调用。

fs::directory_entry entry("/home/user/file.txt");
auto size1 = entry.file_size();  // 触发 stat
auto size2 = entry.file_size();  // 返回缓存，无系统调用
entry.refresh();                  // 强制刷新缓存
auto size3 = entry.file_size();  // 重新 stat

这在遍历大量文件时能显著减少 I/O：一次 directory_iterator 操作自动填充 directory_entry，后续取 file_size、last_write_time、file_type 等都走缓存。

四、目录遍历：directory_iterator 与 recursive_directory_iterator

两套 API 对应两种遍历范围：

特性	directory_iterator	recursive_directory_iterator
遍历深度	仅当前目录	递归子目录
是否含 . ..	否	否
排序	未定义	未定义
跳过子目录	不适用	disable_recursion_pending()

void list_all(const fs::path& dir) {
    fs::directory_iterator end;
    for (auto it = fs::directory_iterator(dir); it != end; ++it) {
        // 只有第一层
    }
    for (auto it = fs::recursive_directory_iterator(dir); it != fs::recursive_directory_iterator(); ++it) {
        // 递归全部
        if (it->is_directory() && skip(*it))
            it.disable_recursion_pending();
    }
}

两种迭代器返回的都是 directory_entry，可直接调用 is_regular_file()、file_size()、path() 等。

五、space_info：磁盘容量查询

std::filesystem::space() 返回 space_info 结构体：

struct space_info {
    uintmax_t capacity;   // 总容量
    uintmax_t free;       // 剩余容量（给调用者的配额）
    uintmax_t available;  // 可用容量（含非特权用户的配额限制）
};

fs::space_info si = fs::space("/");
std::cout << "总容量: " << si.capacity / 1e9 << " GB\n";
std::cout << "剩余: "   << si.free / 1e9 << " GB\n";
std::cout << "可用: "   << si.available / 1e9 << " GB\n";

free 与 available 的区别：POSIX 系统上，free 是文件系统层未使用的块数，available 还要扣除 root 预留块。非 root 用户看到 available 小于 free。

六、copy 与 copy_options

fs::copy 复制文件或目录，搭配 copy_options 控制行为：

选项	效果
none	默认，已存在时报错
skip_existing	跳过已有文件，不报错
overwrite_existing	覆盖已有文件
update_existing	仅目标更旧时才覆盖
recursive	递归复制子目录
directories_only	仅复制目录结构
create_symlinks	复制为符号链接

void backup(const fs::path& src, const fs::path& dst) {
    fs::copy_options opts =
        fs::copy_options::recursive |
        fs::copy_options::overwrite_existing |
        fs::copy_options::update_existing;
    fs::copy(src, dst, opts);
}

注意 fs::copy 在目录上默认不递归，必须显式加 copy_options::recursive 才能复制子目录。

七、面试题精选

1. lexically_normal 会访问磁盘吗？

不会。它是纯字符串操作，只处理 ./ 和 ../ 路径分量，不检查文件是否存在。如果需要解析符号链接或相对路径的绝对化，用 canonical 或 weakly_canonical（会访问磁盘）。

2. directory_iterator 返回的条目有顺序保证吗？

没有。遍历顺序由底层文件系统决定，不可预测。若需有序遍历，须手动收集到 std::vector 再排序。

3. directory_entry 缓存什么时间生效？如何刷新？

首次调用 file_size()、last_write_time()、status() 等触发系统调用后缓存结果。文件在外部被修改时缓存变脏，需调用 refresh() 刷新。缓存不自动感知外部变更。

4. copy_options::recursive 和 copy_options::directories_only 可以同时使用吗？

可以。组合后会在目标递归创建完整的目录结构，但不复制任何文件。常用于备份前建好骨架。

5. space_info::free 和 space_info::available 实际有什么区别？

free 是文件系统层空闲块，available 还要排除特权预留（ext4 默认 5% 给 root）。用户态程序应优先读 available，否则写的字节可能被 ENOSPC 拒绝。

6. path 的 operator/= 做了什么？与字符串拼接有何不同？

operator/= 会自动插入平台分隔符（/ 或 \），且不会重复。字符串拼接可能导致 a//b 或 a\b 混用。优先用 operator/= 而不是 fs::path(a.string() + "/" + b.string())。

7. recursive_directory_iterator 如何跳过某个子目录？

调用 disable_recursion_pending()，析构后迭代器会跳过当前条目（须是目录）下的所有内容。

for (auto it = fs::recursive_directory_iterator("."); it != fs::recursive_directory_iterator(); ++it) {
    if (it->path().filename() == ".git")
        it.disable_recursion_pending();
    else
        process(*it);
}

8. 如何判断一个 path 是绝对路径？

• p.is_absolute()：检查是否绝对路径（POSIX 以 / 开头，Windows 含根名+根目录）
• p.is_relative()：上述取反

Windows 上 C:/foo 是绝对路径，. 是相对路径，/foo 仅含根目录但无根名，按 Windows 规则也是相对路径。