Rust是怎么處理錯誤的

本文小編為大家詳細介紹“Rust是怎么處理錯誤的”，內容詳細，步驟清晰，細節處理妥當，希望這篇“Rust是怎么處理錯誤的”文章能幫助大家解決疑惑，下面跟著小編的思路慢慢深入，一起來學習新知識吧。

異常的演進

程序在運行的過程中，總是會不可避免地產生錯誤，而如何優雅地解決錯誤，也是語言的設計哲學之一。那么現有的主流語言是怎么處理錯誤的呢？比如調用一個函數，如果函數執行的時候出錯了，那么該怎么處理呢。

C 語言

C 是一門古老的語言，通常會以指針作為參數，在函數內部進行解引用，修改指針指向的值。然后用 1 和 0 代表返回值，如果返回 1，則表示修改成功；返回 0，表示修改失敗。

但這種做法有一個缺陷，就是修改失敗時，無法將原因記錄下來。

C++ 和 Python

引入了 Exception，通過 try catch 可以將異常捕獲，相比 C 進步了一些。但它的缺陷是我們不知道被調用方會拋出什么異常。

Java

引入了 checked exception，方法的所有者可以聲明自己會拋出什么異常，然后調用者對異常進行處理。在 Java 程序啟動時，拋出大量異常都是司空見慣的事情，并在相應的調用堆棧中將信息完整地記錄下來。至此，Java 的異常不再是異常，而是一種很普遍的結構，從良性到災難性都有所使用，異常的嚴重性由調用者來決定。

而像 Go、Rust 這樣的新興語言，則采用了與之不同的方式。它們沒有像傳統的高級語言一樣引入 try cache，因為設計者認為這會把控制流搞得非常亂。在 Go 和 Rust 里面，錯誤是通過返回值體現的。

比如打開一個文件，如果文件不存在，像 Python 程序就會直接報錯。但 Go 不一樣，Go 在打開文件的時候會同時返回一個文件句柄和 error，如果文件成功打開，那么 error 就是空；如果文件打開失敗，那么 error 就是錯誤原因。

所以對于 Go 而言，在可能出錯的時候，程序會同時返回 value 和 error。如果你要使用 value，那么必須先對 error 進行判斷。

錯誤和異常

我們上面提到了錯誤(Error)和異常(Exception)，有很多人分不清這兩者的區別，我們來解釋一下。

在 Python 里面很少會對錯誤和異常進行區分，甚至將它們視做同一種概念。但在 Go 和 Rust 里面，錯誤和異常是完全不同的，異常要比錯誤嚴重得多。

當出現錯誤時，開發者是有能力解決的，比如文件不存在。這時候程序并不會有異常產生，而是正常執行，只是作為返回值的 error 不為空，開發者要基于 error 進行下一步處理。

但如果出現了異常，那么一定是代碼寫錯了，開發者無法處理了。比如索引越界，程序會直接 panic 掉，所以在 Rust 里面異常又叫做不可恢復的錯誤。

不可恢復的錯誤

如果在 Rust 里面出現了異常，也就是不可恢復的錯誤，那么就表示開發者希望程序立刻中止掉，不要再執行下去了。

而不可恢復的錯誤，除了程序在運行過程中因為某些原因自然產生之外，也可以手動引發。

fn main() {
    println!("程序開始執行");
    // 在 Go 里面引發異常通過 panic 函數
    // Rust 則是通過 panic! 宏，還是挺相似的
    panic!("發生了不可恢復的錯誤");
    println!("程序不會執行到這里");
}

注意 panic! 和 println! 的參數一致的，都支持字符串格式化輸出。下面看一下輸出結果：

如果將環境變量 RUST_BACKTRACE 設置為 1，還可以顯示調用棧。

然后除了 panic! 之外，assert 系列的宏也可以生成不可恢復的錯誤。

fn main() {
    // 如果 assert! 里面的布爾值為真，無事發生
    // 如果為假，那么程序會 panic 掉
    assert!(1 == 2);

    // assert!(1 == 2) 還可以寫成
    assert_eq!(1, 2);

    // 除了 assert_eq! 外，還有 assert_ne!
    assert_ne!(1, 2);

    // 不過最常用的還是 assert!
}

還有一個宏叫 unimplemented!，當我們的代碼還沒有開發完畢時，為了在別人調用的時候能夠提示調用者，便可以使用這個宏。

fn get_data() {
    unimplemented!("還沒開發完畢，by {}", "古明地覺");
}

fn main() {
    get_data()
}

它和 Python 里的 raise NotImplementedError 是比較相似的。

最后在 Rust 里面還有一個常用的宏，用于表示程序不可能執行到某個地方。

fn divide_by_3(n: u32) -> u32 {
    // 找到可以滿足 3 * i 大于 n 的最小整數 i
    for i in 0 .. {
        if 3 * i > n {
            return i;
        }
    }
    // 顯然程序不可能執行到這里
    // 因為 for 循環是無限進行的，最終一定會 return
    // 但 Rust 在編譯時，從語法上是判斷不出來的
    // 它只知道這個函數目前不完整，因為如果 for 循環結束，
    // 那么返回值就不符合 u32 類型了，盡管我們知道 for 循環不可能結束

    // 為此我們可以隨便 return 一個 u32，并寫上注釋
    // "此處是為了保證函數簽名合法，但程序不會執行到這里"
    // 而更專業的做法是使用一個宏
    unreachable!("程序不可能執行到這里");
}

如果程序真的執行到了該宏所在的地方，那么同樣會觸發一個不可恢復的錯誤。

以上就是 Rust 里面的幾個用于創建不可恢復的錯誤的幾個宏。

可恢復的錯誤

說完了不可恢復的錯誤，再來看看可恢復的錯誤，一般稱之為錯誤。在 Go 里面錯誤是通過多返回值實現的，如果程序可能出現錯誤，那么會多返回一個 error，然后根據 error 是否為空來判斷究竟有沒有產生錯誤。所以開發者必須先對 error 進行處理，然后才可以執行下一步，不應該對 error 進行假設。

而 Rust 的錯誤機制和 Go 類似，只不過是通過枚舉實現的，該枚舉叫 Result，我們看一下它的定義。

pub enum Result<T, E> {
    Ok(T),
    Err(E),
}

如果將定義簡化一下，那么就是這個樣子?？梢钥吹剿褪且粋€簡單的枚舉，并且帶有兩個泛型。我們之前也介紹過一個枚舉叫 Option，用來處理空值的，內部有兩個成員，分別是 Some 和 None。

然后枚舉 Result 和 Option 一樣，它和內部的成員都是可以直接拿來用的，我們實際舉個例子演示一下吧。

// 計算兩個 i32 的商
fn divide(a: i32, b: i32) -> Result<i32, &'static str> {
    let ret: Result<i32, &'static str>;
    // 如果 b != 0，返回 Ok(a / b)
    if b != 0 {
        ret = Ok(a / b);
    } else {
        // 否則返回除零錯誤
        ret = Err("ZeroDivisionError: division by zero")
    }
    return ret;
}

fn main() {
    let a = divide(100, 20);
    println!("a = {:?}", a);

    let b = divide(100, 0);
    println!("b = {:?}", b);
    /*
    a = Ok(5)
    b = Err("ZeroDivisionError: division by zero")
    */
}

打印結果如我們所料，但 Rust 和 Go 一樣，都要求我們提前對 error 進行處理，并且 Rust 比 Go 更加嚴格。對于 Go 而言，在沒有發生錯誤的時候，即使我們不對 error 做處理（不推薦），也是沒問題的。而 Rust 不管會不會發生錯誤，都要求對 error 進行處理。

因為 Rust 返回的是枚舉，比如上面代碼中的 a 是一個 Ok(i32)，即便沒有發生錯誤，這個 a 也不能直接用，必須使用 match 表達式處理一下。

fn main() {
    // 將返回值和 5 相加，由于 a 是 Ok(i32)
    // 顯然它不能直接和 i32 相加
    let a = divide(100, 20);
    match a {
        Ok(i) => println!("a + 5 = {}", i + 5),
        Err(error) => println!("出錯啦: {}", error),
    }

    let b = divide(100, 0);
    match b {
        Ok(i) => println!("b + 5 = {}", i + 5),
        Err(error) => println!("出錯啦: {}", error),
    }
    /*
    a + 5 = 10
    出錯啦: ZeroDivisionError: division by zero
    */
}

雖然這種編碼方式會讓人感到有點麻煩，但它杜絕了出現運行時錯誤的可能。相比運行時報錯，我們寧可在編譯階段多費些功夫。

自定義錯誤和問號表達式

我們說 Rust 為了避免控制流混亂，并沒有引入 try cache 語句。但 try cache 也有它的好處，就是可以完整地記錄堆棧信息，從錯誤的根因到出錯的地方，都能完整地記錄下來，舉個 Python 的例子：

程序報錯了，根因是調用了函數 f，而出錯的地方是在第 10 行，我們手動 raise 了一個異常?？梢钥吹匠绦驅⒄麄€錯誤的鏈路全部記錄下來了，只要從根因開始一層層往下定位，就能找到錯誤原因。

而對于 Go 和 Rust 來說就不方便了，特別是 Go，如果每返回一個 error，就打印一次，那么會將 error 打的亂七八糟的。所以我們更傾向于錯誤能夠在上下文當中傳遞，對于 Rust 而言，我們可以通過問號表達式來實現這一點。

fn external_some_func() -> Result<u32, &'static str> {
    // 外部的某個函數
    Ok(666)
}

fn call1() -> Result<f64, &'static str> {
    // 我們要調用 external_some_func
    match external_some_func() {
        // 類型轉化在 Rust 里面通過 as 關鍵字
        Ok(i) => Ok((i + 1) as f64),
        Err(error) => Err(error)
    }
}

// 但是上面這種調用方式有點繁瑣
// 我們還可以使用問號表達式
fn call2() -> Result<f64, &'static str> {
    // 注：使用問號表達式有一個前提
    // 調用方和被調用方的返回值都要是 Result 枚舉類型
    // 并且它們的錯誤類型要相同，比如這里都是 &'static str
    let ret = external_some_func()?;
    Ok((ret + 1) as f64)
}

fn main() {
    println!("{:?}", call1());  // Ok(667.0)
    println!("{:?}", call2());  // Ok(667.0)
}

里面的 call1 和 call2 是等價的，如果在 call2 里面函數調用出錯了，那么會自動將錯誤返回。并且注意 call2 里面的 ret，它是 u32，不是 Ok(u32)。因為函數調用出錯會直接返回，不出錯則會將 Ok 里面的 u32 取出來賦值給 ret。

然后我們說如果 external_some_func 函數執行出錯了，那么 call2 就直接將錯誤返回了，程序不會再往下執行。所以這也側面要求，call2 和 external_some_func 的返回值類型都是 Result，并且里面的錯誤類型也要一樣，否則函數簽名是不合法的。

fn external_some_func() -> Result<u32, &'static str> {
    // 外部的某個函數
    Err("函數執行出錯")
}

fn call1() -> Result<f64, &'static str> {
    match external_some_func() {
        Ok(i) => Ok((i + 1) as f64),
        Err(error) => Err(error)
    }
}

fn call2() -> Result<f64, &'static str> {
    let ret = external_some_func()?;
    Ok((ret + 1) as f64)
}

fn main() {
    println!("{:?}", call1());  // Err("函數執行出錯")
    println!("{:?}", call2());  // Err("函數執行出錯")
}

此時錯誤就自動地在上下文當中傳遞了，并且還更簡潔，只需要在函數調用后面加一個問號即可。

再來考慮一種更復雜的情況，我們在調用函數的時候可能會調用多個函數，而這多個函數的錯誤類型不一樣該怎么辦呢？

struct FileNotFoundError {
    err: String,
    filename: String,
}

struct IndexError {
    err: &'static str,
    index: u32,
}

fn external_some_func1() -> Result<u32, FileNotFoundError> {
    Err(FileNotFoundError {
        err: String::from("文件不存在"),
        filename: String::from("main.py"),
    })
}

fn external_some_func2() -> Result<i32, IndexError> {
    Err(IndexError {
        err: "索引越界了",
        index: 9,
    })
}

很多時候，錯誤并不是一個簡單的字符串，因為那樣能攜帶的信息太少?；旧隙际且粋€結構體，文字格式的錯誤信息只是里面的字段之一，而其它字段則負責描述更加詳細的上下文信息。

我們上面有兩個函數，是一會兒我們要調用的，但問題是它們返回的錯誤類型不同，也就是 Result<T, E> 里面的 E 不同。而如果是這種情況的話，問號表達式就會失效，那么我們應該怎么做呢？

// 其它代碼不變
#[derive(Debug)]
enum MyError {
    Error1(FileNotFoundError),
    Error2(IndexError)
}

// 為 MyError 實現 From trait
// 分別是 From<FileNotFoundError> 和 From<IndexError>
impl From<FileNotFoundError> for MyError {
    fn from(error: FileNotFoundError) -> MyError {
        MyError::Error1(error)
    }
}

impl From<IndexError> for MyError {
    fn from(error: IndexError) -> MyError {
        MyError::Error2(error)
    }
}

fn call1() -> Result<i32, MyError>{
    // 調用的兩個函數、和當前函數返回的錯誤類型都不相同
    // 但是當前函數是合法的，因為 MyError 實現了 From trait
    // 當錯誤類型是 FileNotFoundError 或 IndexError 時
    // 它們會調用 MyError 實現的 from 方法
    // 然后將錯誤統一轉換為 MyError 類型
    let x = external_some_func1()?;
    let y = external_some_func2()?;
    Ok(x as i32 + y)
}

fn call2() -> Result<i32, MyError>{
    let y = external_some_func2()?;
    let x = external_some_func1()?;
    Ok(x as i32 + y)
}

fn main() {
    println!("{:?}", call1());
    /*
    Err(Error1(FileNotFoundError { err: "文件不存在", filename: "main.py" }))
    */
    println!("{:?}", call2());
    /*
    Err(Error2(IndexError { err: "索引越界了", index: 9 }))
    */
}

如果調用的多個函數返回的錯誤類型相同，那么只需要保證調用方也返回相同的錯誤類型，即可使用問號表達式。但如果調用的多個函數返回的錯誤類型不同，那么這個時候調用方就必須使用一個新的錯誤類型，其數據結構通常為枚舉。

而枚舉里的成員要包含所有可能發生的錯誤類型，比如這里的FileNotFoundError和IndexError。然后為枚舉實現 From trait，該 trait 帶了一個泛型，并且內部定義了一個 from 方法。

我們在實現之后，當出現 FileNotFoundError 和 IndexError 的時候，就會調用 from 方法，轉成調用方的 MyError 類型，然后返回。

因此這就是 Rust 處理錯誤的方式，可能有一些難理解，需要私下多琢磨琢磨。最后再補充一點，我們知道 main 函數應該返回一個空元組，但除了空元組之外，它也可以返回一個 Result。

fn main() -> Result<(), MyError> {
    // 如果 call1() 的后面沒有加問號
    // 那么在調用沒有出錯的時候，返回的就是 Ok(...)
    // 調用出錯的時候，返回的就是 Err(...)
    // 但不管哪一種，都是 Result<T, E> 類型
    println!("{:?}", call1());

    // 如果加了 ? 那么就不一樣了
    // 在調用沒出錯的時候，會直接將 Ok(...) 里面的值取出來
    // 調用出錯的時候，當前函數會中止運行，
    // 并將被調用方（這里是 call2）的錯誤作為調用方（這里是 main）的返回值返回
    // 此時通過問號表達式，就實現了錯誤在上下文當中傳遞
    // 所以這也要求被調用方返回的錯誤類型要和調用方相同
    println!("{:?}", call2()?);

    // 為了使函數簽名合法，這里要返回一個值，直接返回 Ok(()) 即可
    // 但上面的 call2()? 是會報錯的，所以它下面的代碼都不會執行
    Ok(())
}

我們執行一下看看輸出：

由于 main 函數已經是最頂層的調用方了，所以出錯的時候，直接將錯誤拋出來了。

讀到這里，這篇“Rust是怎么處理錯誤的”文章已經介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識點還需要大家自己動手實踐使用過才能領會，如果想了解更多相關內容的文章，歡迎關注億速云行業資訊頻道。