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5.1.1 std::filesystem::filesystem_error
6.2.1 使用std::filesystem::rename
7.1.2 异步I/O (Asynchronous I/O)
8.3.2 Case Sensitivity（大小写敏感性）
一、C++ Filesystem库简介
1.1 历史背景
C++ Filesystem库是C++17标准的一部分，它的出现填补了C++长久以来在文件和目录操作方面的空白。在这之前，开发者通常需要使用操作系统特定的API或第三方库。
| 年份 | 发展事件 |
| 2011 | Boost Filesystem库发布 |
| 2014 | C++14标准发布，但未包含Filesystem库 |
| 2017 | C++17标准发布，正式引入Filesystem库 |
1.2 主要功能和用途
C++ Filesystem库提供了一系列用于文件和目录操作的API，包括但不限于创建、删除、复制文件和目录，以及查询文件属性等。
1.3 如何在项目中引入Filesystem库
// 引入头文件
#include <filesystem>
// 使用命名空间
namespace fs = std::filesystem;二、文件操作基础
2.1 创建文件
在C++中，使用std::filesystem::create_directories和std::filesystem::create_directory（标准文件系统库中的方法）可以轻松创建文件
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;
int main() {
fs::create_directories("new_folder/sub_folder");
fs::create_directory("another_folder");
}2.2 读取文件
读取文件通常使用std::ifstream（Input File Stream）来完成。这里的“输入”并不是说文件本身是输入，而是从程序的角度看，文件内容被“输入”到程序中。
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
int main() {
std::ifstream file("example.txt");
std::string line;
while (std::getline(file, line)) {
std::cout << line << std::endl;
}
}2.3 写入文件
写入文件在C++中通常使用std::ofstream（Output File Stream）。这里的“输出”意味着数据从程序“输出”到文件。
#include <fstream>
int main() {
std::ofstream file("example.txt");
file << "Hello, World!" << std::endl;
}-
文件写入模式
在使用std::ofstream时，你可以选择不同的文件写入模式，例如std::ios::app（追加模式）和std::ios::trunc（截断模式）。
| 模式 | 描述 |
std::ios::app | 追加到文件末尾 |
std::ios::trunc | 截断现有文件 |
// 追加模式
std::ofstream file("example.txt", std::ios::app);
file << "Additional line" << std::endl;2.4 文件属性和权限
在C++中，std::filesystem::permissions和std::filesystem::status等函数允许你查询和修改文件属性和权限.
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;
int main() {
fs::permissions("example.txt", fs::perms::owner_all);
}三. 目录操作基础
3.1 创建目录
| 方法 | 优点 | 缺点 |
std::filesystem::create_directory | 简单、直接 | 功能有限 |
std::filesystem::create_directories | 可创建多级目录 | 相对复杂 |
在C++中，使用std::filesystem::create_directory（创建目录）方法是最直接的方式来创建一个新目录。这个函数非常直观，只需要一个路径参数。
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;
int main() {
fs::create_directory("new_directory");
}底层原理: 实际上，这个函数会调用操作系统的API来进行目录创建。在Linux系统中，它可能会调用mkdir系统调用。
3.2 遍历目录
使用std::filesystem::directory_iterator（目录迭代器）可以方便地遍历一个目录下的所有文件和子目录。
for(auto& p: fs::directory_iterator("some_directory")) {
std::cout << p.path() << std::endl;
}3.3 移动和重命名目录
3.3.1 std::filesystem::rename
在C++中，std::filesystem::rename（重命名）函数用于重命名或移动文件和目录。这个函数接受两个参数：源路径和目标路径。
fs::rename("old_directory", "new_directory");3.3.2 std::filesystem::copy
除了重命名，你还可以使用std::filesystem::copy（复制）函数来复制目录。
fs::copy("source_directory", "destination_directory", fs::copy_options::recursive);这个函数实际上会递归地复制目录下的所有文件和子目录
3.4 删除目录
删除目录在C++中是一个相对简单的操作，通常使用std::filesystem::remove（删除）函数。
fs::remove("directory_to_remove");四. 路径操作
4.1 绝对路径和相对路径
在C++ Filesystem库中，路径（Path）是一个核心概念。路径可以分为两种：绝对路径（Absolute Path）和相对路径（Relative Path）。
- 绝对路径：从文件系统的根目录开始，一直到目标文件或目录。
- 相对路径：从某个特定目录开始，一直到目标文件或目录。
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;
// 绝对路径
fs::path abs_path = "/home/user/documents/file.txt";
// 相对路径
fs::path rel_path = "documents/file.txt";4.2 路径拼接
路径拼接（Path Concatenation）是将两个或多个路径片段合并成一个完整路径的过程。
fs::path base_path = "/home/user";
fs::path file = "documents/file.txt";
fs::path full_path = base_path / file; // 输出：/home/user/documents/file.txt4.3 路径解析
路径解析（Path Resolution）是将一个路径字符串解析成其各个组成部分的过程。
| 方法 | 功能描述 | 示例 |
parent_path() | 获取父路径 | /home/user/documents |
filename() | 获取文件名 | file.txt |
extension() | 获取文件扩展名 | .txt |
stem() | 获取不带扩展名的文件名 | file |
fs::path p = "/home/user/documents/file.txt";
std::cout << "Parent path: " << p.parent_path() << std::endl; // 输出：/home/user/documents
std::cout << "Filename: " << p.filename() << std::endl; // 输出：file.txt五、异常处理
5.1 常见错误类型
在使用C++ Filesystem库时，你可能会遇到各种各样的错误。这些错误通常可以归类为以下几种：
std::filesystem::filesystem_error（文件系统错误）std::bad_alloc（内存分配失败）std::invalid_argument（无效参数）
5.1.1 std::filesystem::filesystem_error
这是最常见的错误类型，通常是因为文件或目录不存在、权限问题或磁盘空间不足等。
代码示例
try {
std::filesystem::create_directory("some/directory");
} catch (std::filesystem::filesystem_error& e) {
std::cerr << e.what() << std::endl;
}5.1.2 std::bad_alloc
当系统无法分配足够的内存空间时，会抛出这种异常。
代码示例
try {
char* myarray= new char[1000000000ul];
} catch (std::bad_alloc& e) {
std::cerr << e.what() << std::endl;
}5.1.3 std::invalid_argument
当传递给函数的参数不符合预期时，会抛出这种异常。
std::filesystem::path p("");
if (p.empty()) {
throw std::invalid_argument("Path cannot be empty");
}5.2 如何捕获和处理异常
使用try、catch和throw关键字来处理异常。
5.2.1 使用try和catch
代码示例：
try {
// 一些可能抛出异常的代码
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << e.what() << std::endl;
}5.2.2 使用throw
if (some_condition) {
throw std::runtime_error("Something went wrong");
}六、实用案例
6.1 文件复制工具
6.1.1 基础复制
在C++中，使用std::filesystem::copy（标准文件系统复制）方法可以轻松复制文件。这个函数提供了多种复制选项，如递归复制、覆盖现有文件等。
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;
int main() {
fs::copy("source.txt", "destination.txt");
}6.1.2 高级复制
如果你需要更多的控制，例如复制文件的元数据，你可以使用std::filesystem::copy_options（标准文件系统复制选项）。
fs::copy("source.txt", "destination.txt", fs::copy_options::overwrite_existing | fs::copy_options::recursive);6.2 批量重命名
6.2.1 使用std::filesystem::rename
批量重命名通常是一个繁琐的任务，但C++ Filesystem库通过std::filesystem::rename（标准文件系统重命名）方法简化了这一过程。
fs::rename("old_name.txt", "new_name.txt");6.2.2 批量操作
通过组合std::filesystem::directory_iterator（标准文件系统目录迭代器）和std::filesystem::rename，我们可以轻松地进行批量重命名。
for (const auto &entry : fs::directory_iterator("./my_folder")) {
fs::rename(entry.path(), entry.path().string() + "_new");
}6.3 磁盘空间分析
std::filesystem::space（标准文件系统空间）方法返回一个包含磁盘空间信息的std::filesystem::space_info对象。
auto spaceInfo = fs::space("/");
std::cout << "Free space: " << spaceInfo.free << std::endl;七. 性能考虑
7.1 I/O性能
7.1.1 缓冲区(Buffering)
在文件操作中，缓冲区（Buffering）是一个关键因素。缓冲区可以减少磁盘I/O次数，从而提高性能。当你一次读取或写入大量数据时，使用缓冲区是非常有用的。
代码示例：
#include <fstream>
#include <vector>
int main() {
std::ofstream outfile("example.txt", std::ios::out | std::ios::binary);
std::vector<char> buffer(1024);
// 填充缓冲区
outfile.write(buffer.data(), buffer.size());
outfile.close();
}7.1.2 异步I/O (Asynchronous I/O)
异步I/O（Asynchronous I/O）允许程序在等待I/O操作完成时继续执行其他任务。这样可以有效地利用CPU资源。
代码示例：
// C++20中的异步I/O示例
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <future>
void async_read(const std::string& file_name) {
std::ifstream infile(file_name, std::ios::in);
std::string content;
// 异步读取文件
auto future = std::async(std::launch::async, [&]() {
std::getline(infile, content);
});
// 在这里可以做其他事情
future.wait();
std::cout << "File content: " << content << std::endl;
}7.2 内存映射
内存映射（Memory Mapping）是一种将文件或文件的一部分映射到进程地址空间的方法，这样可以提高文件访问速度。
代码示例：
// 使用Boost库进行内存映射
#include <boost/iostreams/device/mapped_file.hpp>
int main() {
boost::iostreams::mapped_file_source file("example.txt");
auto data = file.data();
// 直接访问内存中的数据
}7.3 优化技巧
7.3.1 批量操作 (Batching)
批量操作（Batching）是一种将多个小操作组合成一个大操作的技术，以减少总体开销。
代码示例：
// 批量删除文件
#include <filesystem>
#include <vector>
int main() {
std::vector<std::filesystem::path> files_to_delete = {/* ... */};
for (const auto& file : files_to_delete) {
std::filesystem::remove(file);
}
}7.3.2 方法对比表
| 方法 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
| 缓冲区(Buffering) | 减少I/O次数，提高性能 | 需要额外的内存 | 大量数据读写 |
| 异步I/O | 充分利用CPU，提高响应性 | 代码复杂度可能增加 | I/O密集型应用 |
| 内存映射 | 快速文件访问 | 可能增加内存使用 | 频繁访问的大文件 |
| 批量操作 | 减少总体开销 | 需要一次性处理所有任务 | 多个小操作需要合并时 |
八. 兼容性和跨平台
8.1 Windows平台
8.1.1 文件路径的特殊性
在Windows平台上，文件路径通常使用反斜杠（\）作为分隔符。这与Unix和Linux系统使用正斜杠（/）不同。C++ Filesystem库在这方面做了优化，可以自动识别和处理这种差异。
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;
fs::path p1 = "C:\\Program Files";
fs::path p2 = "C:/Program Files";8.1.2 权限和安全性
Windows平台有着严格的文件和目录权限管理，这通常会影响到文件操作。例如，尝试访问系统文件夹通常会导致权限不足的错误。使用std::filesystem::permissions（文件系统权限）方法可以更改文件或目录的权限。
fs::permissions("example.txt", fs::perms::owner_all);8.2 Linux平台
8.2.1 文件系统类型
Linux支持多种文件系统，如EXT4, XFS等。C++ Filesystem库在这些文件系统上都能良好地运行。使用std::filesystem::space（磁盘空间）方法可以查询文件系统的类型和可用空间。
auto spaceInfo = fs::space("/");8.2.2 符号链接和硬链接
Linux平台广泛使用符号链接（Symbolic Links）和硬链接（Hard Links）。std::filesystem::create_symlink（创建符号链接）和std::filesystem::create_hard_link（创建硬链接）方法用于创建链接。
fs::create_symlink("target.txt", "symlink.txt");
fs::create_hard_link("target.txt", "hardlink.txt");8.3 MacOS平台
8.3.1 HFS+和APFS
MacOS使用HFS+或APFS作为其文件系统。C++ Filesystem库也支持这两种文件系统。与Linux平台类似，std::filesystem::space（磁盘空间）方法也适用于MacOS。
8.3.2 Case Sensitivity（大小写敏感性）
MacOS文件系统默认是不区分大小写的，这一点需要特别注意。使用std::filesystem::equivalent（等效性检查）方法可以检查两个路径是否指向同一个文件或目录。
bool isSame = fs::equivalent("file.txt", "FILE.TXT"); // 在MacOS上通常返回true
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