面试题：C++文件输入输出的性能优化与异常处理

C++文件输入输出性能优化技巧

使用内存映射文件：
- 原理：内存映射文件将文件内容直接映射到进程的虚拟地址空间，使得对文件的访问就像访问内存一样，减少了系统调用开销。
- 示例代码：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <fcntl.h>
#include <io.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    const char* filename = "test.txt";
    int fd = _open(filename, _O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    struct stat fileStat;
    if (fstat(fd, &fileStat) == -1) {
        perror("fstat");
        _close(fd);
        return 1;
    }
    char* mappedMemory = (char*)mmap(nullptr, fileStat.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (mappedMemory == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        _close(fd);
        return 1;
    }
    // 访问映射的内存
    std::cout.write(mappedMemory, fileStat.st_size);
    if (munmap(mappedMemory, fileStat.st_size) == -1) {
        perror("munmap");
    }
    _close(fd);
    return 0;
}

缓冲区优化：
- 使用标准库缓冲区：C++标准库的std::ifstream和std::ofstream已经有内置缓冲区。可以通过设置缓冲区大小来优化，例如std::ifstream ifs("file.txt", std::ios::binary); char buffer[4096]; ifs.rdbuf()->pubsetbuf(buffer, sizeof(buffer));。
- 自定义缓冲区：自己实现缓冲区逻辑，比如在读取文件时，预先分配一块较大内存作为缓冲区，按块读取文件内容，减少系统调用次数。在写入文件时，先将数据写入缓冲区，达到一定阈值后再一次性写入文件。
异步I/O：
- 原理：在C++中可以使用std::async结合文件I/O操作实现异步。这样主线程可以在I/O操作进行时继续执行其他任务，提高整体效率。
- 示例代码：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <future>

void writeFileAsync(const std::string& filename) {
    std::ofstream ofs(filename);
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        ofs << "Line " << i << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::future<void> futureTask = std::async(std::launch::async, writeFileAsync, "async_output.txt");
    // 主线程可以执行其他任务
    std::cout << "Main thread is doing other work while file is being written asynchronously." << std::endl;
    futureTask.get();
    return 0;
}

以二进制模式读写：
- 原因：以二进制模式读写文件避免了文本模式下可能的字符转换开销，特别是在处理非文本数据（如图片、音频等）时，效率更高。例如std::ifstream ifs("data.bin", std::ios::binary);。

文件输入输出异常处理机制设计

文件不存在异常处理：
- 检查文件是否存在：在打开文件前，使用std::filesystem::exists（C++17及以上）或boost::filesystem::exists（C++17以下可使用Boost库）检查文件是否存在。
- 示例代码：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <filesystem>

int main() {
    const std::string filename = "nonexistent_file.txt";
    if (!std::filesystem::exists(filename)) {
        std::cerr << "File " << filename << " does not exist." << std::endl;
        return 1;
    }
    std::ifstream ifs(filename);
    if (!ifs) {
        std::cerr << "Failed to open file." << std::endl;
        return 1;
    }
    return 0;
}

磁盘空间不足异常处理：
- 捕获异常：在进行文件写入操作时，可能会因为磁盘空间不足抛出std::ios::failure异常。可以使用try - catch块捕获异常。
- 示例代码：

#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    std::ofstream ofs("large_file.txt");
    try {
        for (int i = 0; i < 1000000000; ++i) {
            ofs << "A very long string to fill the disk space if possible." << std::endl;
            if (!ofs) {
                throw std::ios::failure("Disk space may be running out or other I/O error.");
            }
        }
    } catch (const std::ios::failure& e) {
        std::cerr << "I/O error: " << e.what() << std::endl;
        // 可以尝试释放一些磁盘空间或采取其他恢复措施
    }
    return 0;
}

保证数据完整性：
- 事务处理思想：在写入文件时，可以将一系列相关的写入操作视为一个事务。例如，先写入临时文件，在所有操作完成后，再将临时文件重命名为目标文件。这样如果在写入临时文件过程中出现异常，目标文件不会被破坏。
- 示例代码：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <filesystem>

int main() {
    const std::string tempFilename = "temp_file.txt";
    const std::string finalFilename = "final_file.txt";
    std::ofstream tempOfs(tempFilename);
    if (!tempOfs) {
        std::cerr << "Failed to open temp file." << std::endl;
        return 1;
    }
    try {
        // 写入操作
        tempOfs << "Some data" << std::endl;
        tempOfs.close();
        std::filesystem::rename(tempFilename, finalFilename);
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
        // 如果出现异常，删除临时文件
        std::filesystem::remove(tempFilename);
    }
    return 0;
}

错误日志记录：在捕获到异常时，记录详细的错误信息到日志文件中，包括异常类型、发生时间、文件名等，以便后续排查问题。可以使用第三方日志库如spdlog等。
- 示例代码：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <spdlog/spdlog.h>

int main() {
    try {
        std::ifstream ifs("nonexistent_file.txt");
        if (!ifs) {
            throw std::ios::failure("File not found");
        }
    } catch (const std::ios::failure& e) {
        spdlog::error("I/O exception: {}", e.what());
    }
    return 0;
}

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