C++17中如何使用iostream/fstream实现带O_EXCL标志的线程安全文件创建？

C++17标准没有为std::fstream/std::ofstream定义官方的O_EXCL对应打开模式，但有两种常用的实现方案可以达到和open(O_WRONLY|O_CREAT|O_EXCL)完全一致的原子创建效果。

方案1：使用主流标准库的扩展标志 #

绝大多数主流C标准库实现（GCC libstdc、Clang libc++、MSVC STL）都提供了非标准的std::ios::excl打开标志，和O_EXCL行为完全一致，使用方式非常简单：

#include <fstream>

// ...
std::ofstream out_file("test.txt", std::ios::out | std::ios::excl);
if (out_file.is_open()) {
    // 文件不存在，原子创建成功，可以正常写入
    out_file << "write content" << std::endl;
} else {
    // 文件已存在或其他IO错误，创建失败
}

注意：该标志属于实现扩展，不属于C++17强制标准要求，如果需要兼容所有标准库实现，建议使用方案2。

方案2：混用C系统调用与fstream（标准兼容、原子性保证） #

这个方案完全符合C++17标准要求，并且100%还原open调用的原子性：先通过open系统调用按要求拿到原子创建后的文件描述符，再将其关联到std::ofstream使用：

#include <fstream>
#include <cstdio>
// POSIX系统头文件，Windows下替换为<io.h>和<fcntl.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

// ...
int fd = open("target_output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_EXCL, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH);
if (fd < 0) {
    // 可通过errno判断是文件已存在还是其他IO错误
    perror("create file failed");
    // 错误处理逻辑
}

FILE* c_file = fdopen(fd, "w");
if (!c_file) {
    close(fd);
    perror("associate fd to FILE* failed");
    // 错误处理逻辑
}

// 关联到C++ ofstream，后续可以正常使用流式接口
std::ofstream out_stream(c_file);

// 写入示例
out_stream << "test content" << std::endl;

// 流销毁时会自动关闭底层FILE*和文件描述符，无需手动调用close

禁用方案：先判断文件存在再创建 #

不要通过std::filesystem::exists先判断文件是否存在、再调用普通ofstream::open创建文件，这个操作是非原子的，多线程/多进程同时操作时会出现竞态，无法保证仅创建一次的要求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者vy32