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C++学习：六个月从基础到就业——C++17：string_view与filesystem

news 2025/5/19 9:50:58

C++学习：六个月从基础到就业——C++17：string_view与filesystem

本文是我C++学习之旅系列的第四十八篇技术文章，也是第三阶段"现代C++特性"的第十篇，主要介绍C++17引入的两个强大功能：string_view和filesystem库。查看完整系列目录了解更多内容。

引言

C++17标准引入了许多实用的新特性，其中std::string_view和std::filesystem库尤为显著。这两个特性解决了C++程序员长期面临的实际问题：字符串处理的性能开销和跨平台文件系统操作的复杂性。

std::string_view提供了一种轻量级、非拥有型的字符串引用方式，可以显著减少不必要的字符串复制和内存分配，提高性能。而std::filesystem库则提供了一套统一且跨平台的文件和目录操作接口，简化了以往需要依赖操作系统特定API或第三方库才能完成的文件操作。

本文将探讨这两个特性的设计理念、使用方法、性能优势以及最佳实践，帮助你在实际项目中充分利用它们提升代码质量和性能。

std::string_view
- 基本概念与动机
- 创建和使用string_view
- 与std::string的对比
- 注意事项与生命周期管理
- 实际应用场景
std::filesystem库
- 背景与概述
- 路径操作
- 文件状态查询
- 目录遍历
- 文件操作
- 空间与权限管理
- 错误处理
实际应用示例
- 文件内容分析工具
- 文件系统监控
性能考量与最佳实践
- 使用指南
- 常见陷阱与避坑
总结

std::string_view

基本概念与动机

std::string_view是C++17引入的一个轻量级、非拥有型（non-owning）的字符串引用类型，定义在<string_view>头文件中。它表示字符数组的一个视图（view），不拥有也不会复制这些字符，只是引用已存在的字符序列。

设计std::string_view的主要动机是解决以下问题：

减少不必要的内存分配和字符串复制：在许多只读访问字符串的场景中，传统的std::string会导致不必要的内存分配和数据复制。
统一接口：提供一个统一的接口来处理各种形式的字符串，如C风格字符串、std::string、字符数组等。
提高性能：通过避免复制来提高字符串处理的性能，特别是在频繁进行字符串传递但不修改内容的场景中。

std::string_view可以看作是对字符序列的一个"窗口"，它不拥有底层数据，因此是只读的、轻量级的。

创建和使用string_view

以下是创建和使用std::string_view的基本示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>int main() {// 从C风格字符串创建std::string_view sv1 = "Hello, string_view!";// 从std::string创建std::string s = "Hello from string";std::string_view sv2 = s;// 从字符数组创建char arr[] = {'A', 'r', 'r', 'a', 'y', '\0'};std::string_view sv3(arr, 5);  // 显式指定长度，不依赖'\0'// 基本用法std::cout << "sv1: " << sv1 << std::endl;std::cout << "sv2: " << sv2 << std::endl;std::cout << "sv3: " << sv3 << std::endl;// 获取长度和判断是否为空std::cout << "sv1 length: " << sv1.length() << std::endl;std::cout << "sv1 empty: " << std::boolalpha << sv1.empty() << std::endl;// 访问单个字符std::cout << "sv1[7]: " << sv1[7] << std::endl;// 修改视图范围（注意：这不会改变底层数据）std::string_view sv4 = sv1;sv4.remove_prefix(7);  // 移除前7个字符sv4.remove_suffix(1);  // 移除最后1个字符std::cout << "sv4 after remove: " << sv4 << std::endl;std::cout << "original sv1: " << sv1 << std::endl;  // sv1不受影响// 子串操作std::string_view sv5 = sv1.substr(7, 6);  // 从索引7开始的6个字符std::cout << "sv5 (substring): " << sv5 << std::endl;return 0;
}

与std::string的对比

std::string_view和std::string的主要区别：

所有权模型：
- std::string拥有并管理自己的内存
- std::string_view不拥有内存，只是一个引用
修改能力：
- std::string可以修改字符串内容
- std::string_view只能读取，不能修改字符串内容（除了调整视图范围）
性能特性：
- std::string需要分配内存并复制数据
- std::string_view不分配内存，不复制数据，只存储指针和长度

下面是一个简单的性能对比：

#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
#include <chrono>// 测量函数执行时间的辅助函数
template <typename Func>
double measureTime(Func func, int iterations = 1000000) {auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();for (int i = 0; i < iterations; ++i) {func();}auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();std::chrono::duration<double, std::milli> elapsed = end - start;return elapsed.count();
}// 使用string的函数
bool containsString(const std::string& s, const std::string& substr) {return s.find(substr) != std::string::npos;
}// 使用string_view的函数
bool containsStringView(std::string_view s, std::string_view substr) {return s.find(substr) != std::string_view::npos;
}int main() {std::string str = "This is a test string for performance comparison";std::string substr = "test";// 测量string版本auto stringTime = measureTime([&]() {containsString(str, substr);});// 测量string_view版本auto stringViewTime = measureTime([&]() {containsStringView(str, substr);});std::cout << "String version took: " << stringTime << " ms" << std::endl;std::cout << "String_view version took: " << stringViewTime << " ms" << std::endl;std::cout << "String_view is " << (stringTime / stringViewTime) << " times faster" << std::endl;return 0;
}

注意事项与生命周期管理

使用std::string_view时最重要的是注意生命周期问题。由于它只是引用而不拥有底层数据，如果底层数据被销毁，那么string_view将变成悬空引用（dangling reference）：

#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>// 危险的函数：返回局部字符串的string_view
std::string_view dangerousFunction() {std::string localString = "This string will be destroyed!";return localString;  // 错误：返回了一个即将被销毁对象的视图
}// 安全的函数：参数string_view不会延长其引用对象的生命周期
void safeFunction(std::string_view sv) {std::cout << "Safely using: " << sv << std::endl;
}int main() {// 正确用法std::string s1 = "Hello";std::string_view sv1 = s1;safeFunction(sv1);  // 安全：s1在此处仍然存在// 危险用法：使用已销毁字符串的视图{std::string s2 = "Temporary";sv1 = s2;}  // s2被销毁// 使用sv1是危险的，因为它引用的s2已经被销毁// 安全用法：引用字符串字面量std::string_view sv4 = "String literal";  // 安全，字符串字面量的生命周期是整个程序std::cout << "String literal view: " << sv4 << std::endl;return 0;
}

需要特别注意的其他事项：

不要从临时字符串创建长生命周期的string_view
string_view不保证以null结尾
避免多次不必要的转换

实际应用场景

std::string_view在以下场景特别有用：

函数参数：当函数只需要读取字符串而不修改时：

bool isValidEmail(std::string_view email) {return email.find('@') != std::string_view::npos &&email.find('.', email.find('@')) != std::string_view::npos;
}

解析和分词：处理大文本时的子串操作：

std::vector<std::string_view> split(std::string_view str, char delimiter) {std::vector<std::string_view> result;size_t start = 0;size_t end = str.find(delimiter);while (end != std::string_view::npos) {result.push_back(str.substr(start, end - start));start = end + 1;end = str.find(delimiter, start);}result.push_back(str.substr(start));return result;
}

配置处理和键值查找：

class ConfigParser {
private:std::map<std::string, std::string> configData;public:void parse(std::string_view configText) {auto lines = split(configText, '\n');for (auto line : lines) {// 处理配置行...}}std::string_view get(std::string_view key) const {auto it = configData.find(std::string(key));if (it != configData.end()) {return it->second;}return "";}
};

std::filesystem库

背景与概述

C++17引入的std::filesystem库是基于Boost.Filesystem库的标准化版本，它提供了一套跨平台的文件系统操作接口。在C++17之前，C++标准库并没有提供直接操作文件系统的功能，开发者不得不依赖平台特定的API或第三方库。

std::filesystem库定义在<filesystem>头文件中，包含在std::filesystem命名空间内。它的主要功能包括：

路径表示和操作：提供了std::filesystem::path类来表示和操作文件路径
文件状态查询：检查文件是否存在、类型、大小等
目录遍历：迭代目录内容
文件操作：创建、删除、重命名文件等
权限管理：查询和修改文件权限
符号链接处理：创建和解析符号链接
空间查询：检查磁盘空间信息

这个库的最大优势是提供了统一的跨平台接口，不管是Windows、Linux、macOS还是其他支持C++17的平台，都可以使用相同的代码进行文件系统操作。

路径操作

std::filesystem::path是std::filesystem库的核心类，用于表示和操作文件路径：

#include <iostream>
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;int main() {// 创建路径对象fs::path p1 = "C:/Users/username/Documents/file.txt";  // Windows风格fs::path p2 = "/home/username/Documents/file.txt";     // POSIX风格// 路径组合fs::path dir = "C:/Users/username";fs::path subdir = "Documents";fs::path file = "file.txt";fs::path combined = dir / subdir / file;  // 使用/运算符组合路径std::cout << "Combined path: " << combined << std::endl;// 路径分解std::cout << "Filename: " << combined.filename() << std::endl;std::cout << "Stem: " << combined.stem() << std::endl;std::cout << "Extension: " << combined.extension() << std::endl;std::cout << "Parent path: " << combined.parent_path() << std::endl;// 路径修改fs::path p3 = combined;p3.replace_filename("newfile.docx");p3.replace_extension(".pdf");// 相对路径和绝对路径fs::path rel = "Documents/file.txt";fs::path abs = fs::absolute(rel);return 0;
}

文件状态查询

std::filesystem提供了多种查询文件状态的函数：

#include <iostream>
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;void checkFileStatus(const fs::path& path) {std::cout << "File: " << path << std::endl;// 检查文件是否存在bool exists = fs::exists(path);std::cout << "  Exists: " << std::boolalpha << exists << std::endl;if (!exists) return;// 检查文件类型std::cout << "  Is regular file: " << fs::is_regular_file(path) << std::endl;std::cout << "  Is directory: " << fs::is_directory(path) << std::endl;std::cout << "  Is symlink: " << fs::is_symlink(path) << std::endl;// 获取文件大小if (fs::is_regular_file(path)) {auto size = fs::file_size(path);std::cout << "  Size: " << size << " bytes" << std::endl;}// 获取最后修改时间auto lastWriteTime = fs::last_write_time(path);auto systemTime = std::chrono::time_point_cast<std::chrono::system_clock::duration>(lastWriteTime - fs::file_time_type::clock::now() + std::chrono::system_clock::now());std::time_t tt = std::chrono::system_clock::to_time_t(systemTime);std::cout << "  Last modified: " << std::ctime(&tt);
}int main() {fs::path currentPath = fs::current_path();checkFileStatus(currentPath);return 0;
}

目录遍历

std::filesystem提供了两种遍历目录的方式：

directory_iterator：迭代目录中的直接条目
recursive_directory_iterator：递归迭代目录及其所有子目录

#include <iostream>
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;// 简单目录遍历
void listDirectory(const fs::path& path) {std::cout << "Contents of: " << path << std::endl;try {if (!fs::exists(path) || !fs::is_directory(path)) {std::cout << "Path is not a valid directory" << std::endl;return;}// 遍历目录内容for (const auto& entry : fs::directory_iterator(path)) {std::cout << "  " << entry.path().filename();if (fs::is_directory(entry)) {std::cout << " (directory)";} else if (fs::is_regular_file(entry)) {std::cout << " (file, " << fs::file_size(entry) << " bytes)";}std::cout << std::endl;}} catch (const fs::filesystem_error& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;}
}// 递归目录遍历
void listDirectoryRecursive(const fs::path& path) {try {// 遍历目录及其所有子目录for (const auto& entry : fs::recursive_directory_iterator(path, fs::directory_options::skip_permission_denied)) {// 输出缩进for (int i = 0; i < entry.depth(); ++i) {std::cout << "  ";}std::cout << entry.path().filename();if (fs::is_directory(entry)) {std::cout << " (directory)";} else if (fs::is_regular_file(entry)) {std::cout << " (file)";}std::cout << std::endl;}} catch (const fs::filesystem_error& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;}
}int main() {fs::path currentDir = fs::current_path();listDirectory(currentDir);return 0;
}

文件操作

std::filesystem提供了多种文件和目录操作函数：

#include <iostream>
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;void demonstrateFileOperations() {// 创建临时测试目录fs::path testDir = fs::temp_directory_path() / "filesystem_test";// 删除目录（如果已存在）if (fs::exists(testDir)) {fs::remove_all(testDir);}// 创建目录fs::create_directory(testDir);fs::path subDir = testDir / "subdir";fs::create_directory(subDir);// 创建文件fs::path testFile = testDir / "test.txt";{std::ofstream file(testFile);file << "This is a test file content.";}// 复制文件fs::path copyFile = testDir / "test_copy.txt";fs::copy_file(testFile, copyFile);// 重命名/移动文件fs::path renamedFile = testDir / "test_renamed.txt";fs::rename(copyFile, renamedFile);// 列出目录内容std::cout << "Contents of test directory:" << std::endl;for (const auto& entry : fs::directory_iterator(testDir)) {std::cout << "  " << entry.path().filename() << std::endl;}// 删除文件和目录fs::remove(testFile);fs::remove_all(testDir);
}int main() {demonstrateFileOperations();return 0;
}

空间与权限管理

std::filesystem提供了查询磁盘空间信息和文件权限管理的功能：

#include <iostream>
#include <filesystem>
#include <iomanip>
namespace fs = std::filesystem;void checkDiskSpace(const fs::path& path) {try {fs::space_info space = fs::space(path);std::cout << "Disk space for path: " << path << std::endl;std::cout << "  Capacity: " << space.capacity << " bytes" << std::endl;std::cout << "  Free: " << space.free << " bytes" << std::endl;std::cout << "  Available: " << space.available << " bytes" << std::endl;} catch (const fs::filesystem_error& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;}
}void printPermissions(fs::perms p) {std::cout << "Permission bits: " << std::oct << static_cast<int>(p) << std::dec << std::endl;std::cout << "User: ";std::cout << ((p & fs::perms::owner_read) != fs::perms::none ? "r" : "-");std::cout << ((p & fs::perms::owner_write) != fs::perms::none ? "w" : "-");std::cout << ((p & fs::perms::owner_exec) != fs::perms::none ? "x" : "-");std::cout << " Group: ";std::cout << ((p & fs::perms::group_read) != fs::perms::none ? "r" : "-");std::cout << ((p & fs::perms::group_write) != fs::perms::none ? "w" : "-");std::cout << ((p & fs::perms::group_exec) != fs::perms::none ? "x" : "-");std::cout << " Others: ";std::cout << ((p & fs::perms::others_read) != fs::perms::none ? "r" : "-");std::cout << ((p & fs::perms::others_write) != fs::perms::none ? "w" : "-");std::cout << ((p & fs::perms::others_exec) != fs::perms::none ? "x" : "-");std::cout << std::endl;
}int main() {fs::path currentPath = fs::current_path();checkDiskSpace(currentPath);// 获取文件权限fs::perms currentPerms = fs::status(currentPath).permissions();printPermissions(currentPerms);return 0;
}

错误处理

std::filesystem函数在遇到错误时可能会抛出std::filesystem::filesystem_error异常，或者返回错误码：

#include <iostream>
#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;void demonstrateErrorHandling() {// 使用异常处理文件系统错误try {fs::path nonExistentFile = "/path/to/nonexistent/file.txt";auto fileSize = fs::file_size(nonExistentFile);} catch (const fs::filesystem_error& e) {std::cerr << "Filesystem error: " << e.what() << std::endl;std::cerr << "Error code: " << e.code().value() << " - " << e.code().message() << std::endl;}// 使用错误码处理文件系统错误fs::path nonExistentFile = "/path/to/nonexistent/file.txt";std::error_code ec;bool exists = fs::exists(nonExistentFile, ec);if (ec) {std::cerr << "Error checking if file exists: " << ec.message() << std::endl;} else {std::cout << "File " << (exists ? "exists" : "does not exist") << std::endl;}
}int main() {demonstrateErrorHandling();return 0;
}

实际应用示例

文件内容分析工具

结合std::string_view和std::filesystem可以创建高效的文件内容分析工具：

#include <iostream>
#include <filesystem>
#include <fstream>
#include <string>
#include <string_view>
#include <vector>
#include <algorithm>
namespace fs = std::filesystem;class FileAnalyzer {
private:std::string fileContent;std::vector<std::string_view> lines;public:bool loadFile(const fs::path& filePath) {if (!fs::exists(filePath) || !fs::is_regular_file(filePath)) {return false;}std::ifstream file(filePath, std::ios::binary);if (!file) return false;// 读取整个文件内容fileContent = std::string(std::istreambuf_iterator<char>(file),std::istreambuf_iterator<char>());// 分割成行splitLines();return true;}size_t countOccurrences(std::string_view pattern) const {size_t count = 0;size_t pos = 0;while ((pos = fileContent.find(pattern.data(), pos, pattern.length())) != std::string::npos) {++count;pos += pattern.length();}return count;}std::vector<std::string_view> findLines(std::string_view pattern) const {std::vector<std::string_view> result;for (const auto& line : lines) {if (line.find(pattern) != std::string_view::npos) {result.push_back(line);}}return result;}private:void splitLines() {lines.clear();size_t start = 0;size_t end = fileContent.find('\n');while (end != std::string::npos) {std::string_view line(&fileContent[start], end - start);if (!line.empty() && line.back() == '\r') {line.remove_suffix(1);  // 处理CRLF行尾}lines.push_back(line);start = end + 1;end = fileContent.find('\n', start);}// 处理最后一行if (start < fileContent.size()) {std::string_view line(&fileContent[start], fileContent.size() - start);if (!line.empty() && line.back() == '\r') {line.remove_suffix(1);}lines.push_back(line);}}
};int main() {FileAnalyzer analyzer;// 分析当前目录中的所有.cpp文件fs::path currentPath = fs::current_path();for (const auto& entry : fs::recursive_directory_iterator(currentPath)) {if (fs::is_regular_file(entry) && entry.path().extension() == ".cpp") {std::cout << "Analyzing file: " << entry.path().filename() << std::endl;if (analyzer.loadFile(entry.path())) {// 统计关键字出现次数std::cout << "  'auto' occurrences: " << analyzer.countOccurrences("auto") << std::endl;std::cout << "  'const' occurrences: " << analyzer.countOccurrences("const") << std::endl;// 查找包含特定模式的行auto matchingLines = analyzer.findLines("main");std::cout << "  Lines containing 'main': " << matchingLines.size() << std::endl;// 显示前3行匹配内容for (size_t i = 0; i < std::min(matchingLines.size(), size_t(3)); ++i) {std::cout << "    " << matchingLines[i] << std::endl;}}std::cout << std::endl;}}return 0;
}

文件系统监控

std::filesystem可以用来实现简单的文件系统监控工具：

#include <iostream>
#include <filesystem>
#include <map>
#include <chrono>
#include <thread>
namespace fs = std::filesystem;class FileSystemMonitor {
private:fs::path monitorPath;std::map<fs::path, fs::file_time_type> fileTimestamps;bool running = false;public:FileSystemMonitor(const fs::path& path) : monitorPath(path) {}void initialize() {if (!fs::exists(monitorPath) || !fs::is_directory(monitorPath)) {throw std::runtime_error("Invalid directory path");}// 初始化文件时间戳记录for (const auto& entry : fs::recursive_directory_iterator(monitorPath)) {if (fs::is_regular_file(entry)) {fileTimestamps[entry.path()] = fs::last_write_time(entry.path());}}std::cout << "Monitoring " << fileTimestamps.size() << " files in " << monitorPath << std::endl;}void start() {running = true;while (running) {checkForChanges();std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));}}void stop() {running = false;}private:void checkForChanges() {// 检查现有文件的变化for (auto it = fileTimestamps.begin(); it != fileTimestamps.end(); ) {const fs::path& path = it->first;if (!fs::exists(path)) {std::cout << "File deleted: " << path.filename() << std::endl;it = fileTimestamps.erase(it);} else {auto lastWriteTime = fs::last_write_time(path);if (lastWriteTime != it->second) {std::cout << "File modified: " << path.filename() << std::endl;it->second = lastWriteTime;}++it;}}// 检查新文件for (const auto& entry : fs::recursive_directory_iterator(monitorPath)) {if (fs::is_regular_file(entry)) {const fs::path& path = entry.path();if (fileTimestamps.find(path) == fileTimestamps.end()) {std::cout << "New file: " << path.filename() << std::endl;fileTimestamps[path] = fs::last_write_time(path);}}}}
};int main() {try {FileSystemMonitor monitor(fs::current_path());monitor.initialize();std::cout << "Starting file system monitor. Press Ctrl+C to stop." << std::endl;monitor.start();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;return 1;}return 0;
}

性能考量与最佳实践

使用指南

string_view最佳实践

将函数参数从const std::string&改为std::string_view：

// 改前
void process(const std::string& str);// 改后
void process(std::string_view str);

注意生命周期：确保string_view引用的字符串在使用期间保持有效

避免不必要的转换：

// 不好的做法
std::string_view sv = text;
std::string s = std::string(sv);  // 不必要的复制// 好的做法
void processString(std::string_view sv) {// 直接使用sv
}

使用string_view::data()时注意结尾：string_view不保证以null结尾

filesystem最佳实践

使用错误码而不是异常处理频繁操作：

std::error_code ec;
for (const auto& file : files) {fs::remove(file, ec);if (ec) {// 处理错误ec.clear();}
}

避免递归遍历大型目录树：可能导致性能问题或栈溢出
路径操作中使用operator/：使用/运算符组合路径而不是字符串连接
使用相对路径时注意当前目录：相对路径始终基于当前工作目录

常见陷阱与避坑

string_view陷阱

悬空引用：引用已销毁的字符串
从临时string创建string_view：临时string会立即销毁
修改string_view引用的字符串：可能导致意外行为

filesystem陷阱

路径分隔符混用：在不同操作系统上可能导致问题
权限问题：某些操作可能需要管理员权限
符号链接循环：递归遍历时可能导致无限循环
大文件操作：某些操作在大文件上可能表现不佳

总结

C++17引入的std::string_view和std::filesystem库是现代C++程序员工具箱中的重要组成部分。

std::string_view提供了一种高效的方式来处理字符串数据，通过避免不必要的复制和内存分配，显著提高了性能。然而，使用时必须特别注意生命周期问题，以避免悬空引用带来的未定义行为。

std::filesystem库则填补了C++标准库中文件系统操作的空白，提供了跨平台的统一接口，大大简化了文件和目录操作的代码编写。它涵盖了从路径操作到文件状态查询、目录遍历和文件操作等全面的功能。

通过合理结合这两个强大的特性，我们可以编写更加高效、可维护的文件处理代码。无论是文本处理、配置管理、日志分析还是文件系统监控，这些工具都能帮助我们简化代码并提高性能。

在下一篇文章中，我们将开始探索C++20的新特性，首先介绍概念(Concepts)，这是C++20引入的一个重要模板编程增强功能，它如何改变我们编写和使用模板的方式。

这是我C++学习之旅系列的第四十八篇技术文章。查看完整系列目录了解更多内容。

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