C++ fstream与文件系统库（C++17）：std::filesystem简化文件操作的秘籍

# 1. C++ fstream与文件系统库概述

## 1.1 C++文件操作的历史回顾

C++传统上使用fstream库来处理文件操作，该库提供了对文件输入输出的流式处理功能。尽管fstream非常强大，能够满足许多文件读写的基本需求，但它在处理复杂的文件系统操作时显得力不从心，比如创建目录、移动文件、遍历目录等。

## 1.2 fstream库的局限性

fstream库主要关注于文件的内容，而不是文件系统本身的结构和属性。这意味着，如果你需要获取文件系统中的元数据（如文件大小、权限、修改日期等），或者执行文件和目录的高级管理（比如硬链接、符号链接），你就需要借助操作系统提供的API，这通常会使代码变得复杂和不可移植。

## 1.3 C++17文件系统库(std::filesystem)的引入

为了解决fstream的局限性，C++17标准引入了新的文件系统库(std::filesystem)，它基于Boost.Filesystem库并进行了标准化。这个库提供了丰富的API，能够方便地进行文件系统级的操作，如路径处理、目录遍历、文件属性访问等，并且能够在不同的操作系统之间保持较高的兼容性。

通过本章，我们将为读者提供一个C++ fstream与std::filesystem库的对比视角，为后续章节关于std::filesystem的深入学习奠定基础。

# 2. std::filesystem基础

### 2.1 std::filesystem的命名空间与头文件

#### 2.1.1 引入命名空间std::filesystem

C++17 标准通过引入命名空间 std::filesystem，为文件系统操作提供了一组丰富的API。命名空间是类、函数和变量的逻辑分组。C++ 标准库中的命名空间 std::filesystem 包含了访问和操作文件系统的功能。引入命名空间 std::filesystem 使我们能够使用它的所有成员，而不会与同名的其他全局实体产生冲突。

示例代码：

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

在这段代码中，我们首先包含了 `<filesystem>` 头文件，它是 C++17 引入的，允许我们访问 std::filesystem 命名空间。然后，我们使用 `using namespace` 声明，创建了一个别名 `fs`，用于代表 std::filesystem。这样，在后续代码中就可以使用 `fs::path` 而不是 `std::filesystem::path`。使用命名空间的别名是一种常见的做法，可以使代码更加简洁，但要注意防止命名冲突。

#### 2.1.2 包含必要的头文件

std::filesystem 提供的文件系统操作函数和类都在 `<filesystem>` 头文件中定义。这个头文件是 std::filesystem 所需的唯一一个文件，因为其它相关声明都包含在它里面。

示例代码：

#include <filesystem>

namespace fs = std::filesystem;

在这段代码中，我们通过 `#include <filesystem>` 指令包含了 C++ 标准库中定义文件系统相关操作的头文件。如前所述，`namespace fs` 是一个别名，用来方便地访问 std::filesystem 中的所有成员。

### 2.2 基本文件操作

#### 2.2.1 检查文件和目录的存在性

std::filesystem 提供了检查文件和目录存在性的功能。这个功能对于程序的安全运行至关重要，比如在执行复制、删除或重命名等操作前，我们通常需要确认文件或目录是否存在。

示例代码：

#include <iostream>
#include <filesystem>

bool check_file_exists(const fs::path& path) {
    return fs::exists(path);
}

int main() {
    const fs::path file_path = "/path/to/your/file.txt";
    if (check_file_exists(file_path)) {
        std::cout << "File exists." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "File does not exist." << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这段代码中，函数 `check_file_exists` 利用 std::filesystem 的 `exists` 函数来检查路径 `path` 是否指向一个存在的文件或目录。`exists` 函数接受一个 fs::path 对象作为参数，如果所指向的文件或目录存在，就返回 `true`；否则返回 `false`。

#### 2.2.2 文件和目录的创建与删除

std::filesystem 不仅可以检查文件和目录的存在性，还能创建和删除它们。创建文件或目录是一种常见的文件系统操作，允许程序对工作环境进行修改。

示例代码：

#include <filesystem>
#include <iostream>

int main() {
    const fs::path dir_path = "/path/to/create/dir";
    const fs::path file_path = dir_path / "newfile.txt";
    // 创建目录
    fs::create_directory(dir_path);
    // 创建文件
    std::ofstream(file_path);
    // 删除文件
    fs::remove(file_path);
    // 删除目录及其内容
    fs::remove_all(dir_path);
    return 0;
}

在这段代码中，我们演示了如何使用 std::filesystem 来创建一个目录 (`create_directory`) 和一个文件 (`std::ofstream`)。创建后，我们删除文件和目录，使用 `remove` 函数删除单个文件，而 `remove_all` 函数删除指定目录及其所有内容。注意，在删除之前，需要确保没有其他程序正在使用这些文件，否则可能会造成数据丢失或程序错误。

### 2.3 路径操作

#### 2.3.1 路径的构建和解析

路径操作是文件系统中不可或缺的部分。std::filesystem 提供了路径的构建和解析功能，使得路径管理更为方便。

示例代码：

#include <iostream>
#include <filesystem>

int main() {
    const std::string root = "/home/user";
    const std::string dir = "documents";
    const std::string file = "example.txt";
    // 构建路径
    fs::path path = root;
    path /= dir;
    path /= file;
    // 解析路径
    std::cout << "Path: " << path << std::endl;
    std::cout << "Root name: " << path.root_name() << std::endl;
    std::cout << "Root path: " << path.root_path() << std::endl;
    std::cout << "Relative path: " << path.relative_path() << std::endl;
    std::cout << "Filename: " << path.filename() << std::endl;
    std::cout << "Stem: " << path.stem() << std::endl;
    std::cout << "Extension: " << path.extension() << std::endl;
    return 0;
}

在这段代码中，我们使用 `fs::path` 类来构建了一个文件路径，然后通过不同的成员函数来解析该路径的各个部分。`path` 对象包含了多个可以访问路径特定部分的成员函数，如 `root_name()`, `root_path()`, `relative_path()`, `filename()`, `stem()` 和 `extension()`。这样，即使路径的结构发生变化，我们也能够准确地操作或展示路径的不同部分。

#### 2.3.2 路径的比较和查询功能

std::filesystem 提供了丰富的路径比较和查询功能，这对于文件管理类程序尤其有用。通过比较路径，我们可以确定文件系统中文件和目录的相对位置，也可以进行字符串级别的比较。

示例代码：

#include <iostream>
#include <filesystem>

int main() {
    const fs::path path1 = "/home/user/documents/example.txt";
    const fs::path path2 = "/home/user/documents/example2.txt";
    std::cout << "Path1 is lexically equal to path2: " 
              << std::boolalpha << fs::equivalent(path1, path2) << std::endl;
    std::cout << "Path1 is canonical: " 
              << std::boolalpha << fs::absolute(path1).lexically_normal() == path1 << std::endl;
    return 0;
}

在这段代码中，`equivalent` 函数检查两个路径是否指向系统中的同一个文件或目录，而 `absolute` 函数返回路径的绝对表示形式，`lexically_normal` 函数则返回路径的规范化表示。这样，通过路径的比较和查询功能，我们能够判断文件系统中的路径相关性，甚至对路径进行预处理。

在下一章节中，我们会继续深入 std::filesystem 的高级功能，包括目录遍历、文件状态和属性的获取，以及硬链接和符号链接的创建和管理等。

# 3. 进阶文件系统操作

## 3.1 目录遍历

### 3.1.1 递归遍历目录树

在处理文件和目录时，能够遍历整个目录树是一项基础且至关重要的任务。C++的`std::filesystem`库提供了一种简单的方法来实现递归遍历。下面的示例代码展示了如何递归遍历一个目录树，并打印出每个文件的路径：

#include <filesystem>
#include <iostream>

namespace fs = std::filesystem;

void traverse(const fs::path& directory) {
    if (!fs::exists(directory) || !fs::is_directory(directory)) {
        std::cerr << "Provided path is not a valid directory.\n";
        return;
    }
    for (const auto& entry : fs::recursive_directory_iterator(directory)) {
        if (fs::is_regular_file(entry.status())) {
            std::cout << "File: " << entry.path() << '\n';
        }
    }
}

逻辑分析和参数说明：
- `recursive_directory_iterator`是一个迭代器，它遍历给定目录和其所有子目录中的每个目录项。
- `is_regular_file`函数用于检查目录项是否是一个普通文件。
- 该函数接受一个`fs::path`类型的参数，这个参数指定了要遍历的目录的路径。

在上述代码中，我们首先检查提供的路径是否存在，并且是否是一个目录。如果条件不满足，程序将输出错误信息并返回。然后我们使用`recursive_directory_iterator`来递归地遍历目录树，并且对于每个目录项，我们检查它是否是一个普通文件。如果是，我们将其路径打印到标准输出。

### 3.1.2 并发遍历的性能优化

递归遍历虽然直观，但在处理大量文件或深层目录结构时可能会遇到性能瓶颈。并发遍历可以显著提高性能，特别是当单个目录树中的文件数量非常多时。`std::filesystem`库本身并不直接支持并发遍历，但我们可以使用C++17标准中的并行算法结合文件系统库来实现。

#include <filesystem>
#include <iostream>
#include <future>
#include <vector>
#include <algorithm>

namespace fs = std::filesystem;

void traverse_async(const fs::path& directory, std::vector<std::future<void>>& tasks) {
    if (!fs::exists(directory) || !fs::is_directory(directory)) {
        std::cerr << "Provided path is not a valid directory.\n";
        return;
    }
    for (const auto& entry : fs::directory_iterator(directory)) {
        if (fs::is_directory(entry.status())) {
            tasks.emplace_back(std::async(std::launch::async, [entry]() { travers