一文帶你了解Rust是如何處理錯(cuò)誤的

更新時(shí)間：2022年11月30日 16:53:42 作者：古明地覺

程序在運(yùn)行的過程中，總是會不可避免地產(chǎn)生錯(cuò)誤，而如何優(yōu)雅地解決錯(cuò)誤，也是語言的設(shè)計(jì)哲學(xué)之一。本文就來和大家來了Rust是如何處理錯(cuò)誤的，感興趣的可以了解一下

異常的演進(jìn)

程序在運(yùn)行的過程中，總是會不可避免地產(chǎn)生錯(cuò)誤，而如何優(yōu)雅地解決錯(cuò)誤，也是語言的設(shè)計(jì)哲學(xué)之一。那么現(xiàn)有的主流語言是怎么處理錯(cuò)誤的呢？比如調(diào)用一個(gè)函數(shù)，如果函數(shù)執(zhí)行的時(shí)候出錯(cuò)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(shù)，在函數(shù)內(nèi)部進(jìn)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(gè)缺陷，就是修改失敗時(shí)，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(jìn)步了一些。但它的缺陷是我們不知道被調(diào)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(diào)用者對異常進(jìn)行處理。在 Java 程序啟動(dòng)時(shí)，拋出大量異常都是司空見慣的事情，并在相應(yīng)的調(diào)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(jié)構(gòu)，從良性到災(zāi)難性都有所使用，異常的嚴(yán)重性由調(diào)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(tǒng)的高級語言一樣引入 try cache，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者認(rèn)為這會把控制流搞得非常亂。在 Go 和 Rust 里面，錯(cuò)誤是通過返回值體現(xiàn)的。

比如打開一個(gè)文件，如果文件不存在，像 Python 程序就會直接報(bào)錯(cuò)。但 Go 不一樣，Go 在打開文件的時(shí)候會同時(shí)返回一個(gè)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(cuò)誤原因。

所以對于 Go 而言，在可能出錯(cuò)的時(shí)候，程序會同時(shí)返回 value 和 error。如果你要使用 value，那么必須先對 error 進(jìn)行判斷。

錯(cuò)誤和異常

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

在 Python 里面很少會對錯(cuò)誤和異常進(jìn)行區(qū)分，甚至將它們視做同一種概念。但在 Go 和 Rust 里面，錯(cuò)誤和異常是完全不同的，異常要比錯(cuò)誤嚴(yán)重得多。

當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，開發(fā)者是有能力解決的，比如文件不存在。這時(shí)候程序并不會有異常產(chǎn)生，而是正常執(zhí)行，只是作為返回值的 error 不為空，開發(fā)者要基于 error 進(jìn)行下一步處理。

但如果出現(xiàn)了異常，那么一定是代碼寫錯(cuò)了，開發(fā)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(fù)的錯(cuò)誤。

不可恢復(fù)的錯(cuò)誤

如果在 Rust 里面出現(xiàn)了異常，也就是不可恢復(fù)的錯(cuò)誤，那么就表示開發(fā)者希望程序立刻中止掉，不要再執(zhí)行下去了。

而不可恢復(fù)的錯(cuò)誤，除了程序在運(yùn)行過程中因?yàn)槟承┰蜃匀划a(chǎn)生之外，也可以手動(dòng)引發(fā)。

fn?main()?{
????println!("程序開始執(zhí)行");
????//?在?Go?里面引發(fā)異常通過?panic?函數(shù)
????//?Rust?則是通過?panic!?宏，還是挺相似的
????panic!("發(fā)生了不可恢復(fù)的錯(cuò)誤");
????println!("程序不會執(zhí)行到這里");
}

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

如果將環(huán)境變量 RUST_BACKTRACE 設(shè)置為 1，還可以顯示調(diào)用棧。

然后除了 panic! 之外，assert 系列的宏也可以生成不可恢復(fù)的錯(cuò)誤。

fn?main()?{
????//?如果?assert!?里面的布爾值為真，無事發(fā)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(gè)宏叫 unimplemented!，當(dāng)我們的代碼還沒有開發(fā)完畢時(shí)，為了在別人調(diào)用的時(shí)候能夠提示調(diào)用者，便可以使用這個(gè)宏。

fn?get_data()?{
????unimplemented!("還沒開發(fā)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(gè)常用的宏，用于表示程序不可能執(zhí)行到某個(gè)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(shù)?i
????for?i?in?0?..?{
????????if?3?*?i?>?n?{
????????????return?i;
????????}
????}
????//?顯然程序不可能執(zhí)行到這里
????//?因?yàn)?for?循環(huán)是無限進(jìn)行的，最終一定會 return
????//?但?Rust?在編譯時(shí)，從語法上是判斷不出來的
????//?它只知道這個(gè)函數(shù)目前不完整，因?yàn)槿绻?for?循環(huán)結(jié)束，
????//?那么返回值就不符合?u32?類型了，盡管我們知道?for?循環(huán)不可能結(jié)束

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

如果程序真的執(zhí)行到了該宏所在的地方，那么同樣會觸發(fā)一個(gè)不可恢復(fù)的錯(cuò)誤。

以上就是 Rust 里面的幾個(gè)用于創(chuàng)建不可恢復(fù)的錯(cuò)誤的幾個(gè)宏。

可恢復(fù)的錯(cuò)誤

說完了不可恢復(fù)的錯(cuò)誤，再來看看可恢復(fù)的錯(cuò)誤，一般稱之為錯(cuò)誤。在 Go 里面錯(cuò)誤是通過多返回值實(shí)現(xiàn)的，如果程序可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么會多返回一個(gè) error，然后根據(jù) error 是否為空來判斷究竟有沒有產(chǎn)生錯(cuò)誤。所以開發(fā)者必須先對 error 進(jìn)行處理，然后才可以執(zhí)行下一步，不應(yīng)該對 error 進(jìn)行假設(shè)。

而 Rust 的錯(cuò)誤機(jī)制和 Go 類似，只不過是通過枚舉實(shí)現(xiàn)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(gè)樣子。可以看到它就是一個(gè)簡單的枚舉，并且?guī)в袃蓚€(gè)泛型。我們之前也介紹過一個(gè)枚舉叫 Option，用來處理空值的，內(nèi)部有兩個(gè)成員，分別是 Some 和 None。

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

//?計(jì)算兩個(gè)?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(cuò)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(jié)果如我們所料，但 Rust 和 Go 一樣，都要求我們提前對 error 進(jìn)行處理，并且 Rust 比 Go 更加嚴(yán)格。對于 Go 而言，在沒有發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)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(fā)生錯(cuò)誤，都要求對 error 進(jìn)行處理。

因?yàn)?Rust 返回的是枚舉，比如上面代碼中的 a 是一個(gè) Ok(i32)，即便沒有發(fā)生錯(cuò)誤，這個(gè) a 也不能直接用，必須使用 match 表達(dá)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(cuò)啦:?{}",?error),
????}

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

雖然這種編碼方式會讓人感到有點(diǎn)麻煩，但它杜絕了出現(xiàn)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤的可能。相比運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)，我們寧可在編譯階段多費(fèi)些功夫。

自定義錯(cuò)誤和問號表達(dá)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(cuò)誤的根因到出錯(cuò)的地方，都能完整地記錄下來，舉個(gè) Python 的例子：

程序報(bào)錯(cuò)了，根因是調(diào)用了函數(shù) f，而出錯(cuò)的地方是在第 10 行，我們手動(dòng) raise 了一個(gè)異常?？梢钥吹匠绦?qū)⒄麄€(gè)錯(cuò)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(cuò)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(gè) 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(cuò)誤能夠在上下文當(dāng)中傳遞，對于 Rust 而言，我們可以通過問號表達(dá)式來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

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

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

//?但是上面這種調(diào)用方式有點(diǎn)繁瑣
//?我們還可以使用問號表達(dá)式
fn?call2()?->?Result<f64,?&'static?str>?{
????//?注：使用問號表達(dá)式有一個(gè)前提
????//?調(diào)用方和被調(diào)用方的返回值都要是?Result?枚舉類型
????//?并且它們的錯(cuò)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(jià)的，如果在 call2 里面函數(shù)調(diào)用出錯(cuò)了，那么會自動(dòng)將錯(cuò)誤返回。并且注意 call2 里面的 ret，它是 u32，不是 Ok(u32)。因?yàn)楹瘮?shù)調(diào)用出錯(cuò)會直接返回，不出錯(cuò)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(shù)執(zhí)行出錯(cuò)了，那么 call2 就直接將錯(cuò)誤返回了，程序不會再往下執(zhí)行。所以這也側(cè)面要求，call2 和 external_some_func 的返回值類型都是 Result，并且里面的錯(cuò)誤類型也要一樣，否則函數(shù)簽名是不合法的。

fn?external_some_func()?->?Result<u32,?&'static?str>?{
????//?外部的某個(gè)函數(shù)
????Err("函數(shù)執(zhí)行出錯(cuò)")
}

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(shù)執(zhí)行出錯(cuò)")
????println!("{:?}",?call2());??//?Err("函數(shù)執(zhí)行出錯(cuò)")
}

此時(shí)錯(cuò)誤就自動(dòng)地在上下文當(dāng)中傳遞了，并且還更簡潔，只需要在函數(shù)調(diào)用后面加一個(gè)問號即可。

再來考慮一種更復(fù)雜的情況，我們在調(diào)用函數(shù)的時(shí)候可能會調(diào)用多個(gè)函數(shù)，而這多個(gè)函數(shù)的錯(cuò)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(shí)候，錯(cuò)誤并不是一個(gè)簡單的字符串，因?yàn)槟菢幽軘y帶的信息太少?；旧隙际且粋€(gè)結(jié)構(gòu)體，文字格式的錯(cuò)誤信息只是里面的字段之一，而其它字段則負(fù)責(zé)描述更加詳細(xì)的上下文信息。

我們上面有兩個(gè)函數(shù)，是一會兒我們要調(diào)用的，但問題是它們返回的錯(cuò)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(dá)式就會失效，那么我們應(yīng)該怎么做呢？

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

//?為?MyError?實(shí)現(xiàn)?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(diào)用的兩個(gè)函數(shù)、和當(dāng)前函數(shù)返回的錯(cuò)誤類型都不相同
????//?但是當(dāng)前函數(shù)是合法的，因?yàn)?MyError?實(shí)現(xiàn)了?From?trait
????//?當(dāng)錯(cuò)誤類型是?FileNotFoundError?或?IndexError?時(shí)
????//?它們會調(diào)用?MyError?實(shí)現(xiàn)的?from?方法
????//?然后將錯(cuò)誤統(tǒng)一轉(zhuǎn)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(diào)用的多個(gè)函數(shù)返回的錯(cuò)誤類型相同，那么只需要保證調(diào)用方也返回相同的錯(cuò)誤類型，即可使用問號表達(dá)式。但如果調(diào)用的多個(gè)函數(shù)返回的錯(cuò)誤類型不同，那么這個(gè)時(shí)候調(diào)用方就必須使用一個(gè)新的錯(cuò)誤類型，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常為枚舉。

而枚舉里的成員要包含所有可能發(fā)生的錯(cuò)誤類型，比如這里的FileNotFoundError和IndexError。然后為枚舉實(shí)現(xiàn) From trait，該 trait 帶了一個(gè)泛型，并且內(nèi)部定義了一個(gè) from 方法。

我們在實(shí)現(xiàn)之后，當(dāng)出現(xiàn) FileNotFoundError 和 IndexError 的時(shí)候，就會調(diào)用 from 方法，轉(zhuǎn)成調(diào)用方的 MyError 類型，然后返回。

因此這就是 Rust 處理錯(cuò)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(bǔ)充一點(diǎn)，我們知道 main 函數(shù)應(yīng)該返回一個(gè)空元組，但除了空元組之外，它也可以返回一個(gè) Result。

fn?main()?->?Result<(),?MyError>?{
????//?如果?call1()?的后面沒有加問號
????//?那么在調(diào)用沒有出錯(cuò)的時(shí)候，返回的就是?Ok(...)
????//?調(diào)用出錯(cuò)的時(shí)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(diào)用沒出錯(cuò)的時(shí)候，會直接將?Ok(...)?里面的值取出來
????//?調(diào)用出錯(cuò)的時(shí)候，當(dāng)前函數(shù)會中止運(yùn)行，
????//?并將被調(diào)用方（這里是?call2）的錯(cuò)誤作為調(diào)用方（這里是?main）的返回值返回
????//?此時(shí)通過問號表達(dá)式，就實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤在上下文當(dāng)中傳遞
????//?所以這也要求被調(diào)用方返回的錯(cuò)誤類型要和調(diào)用方相同
????println!("{:?}",?call2()?);

????//?為了使函數(shù)簽名合法，這里要返回一個(gè)值，直接返回?Ok(())?即可
????//?但上面的?call2()??是會報(bào)錯(cuò)的，所以它下面的代碼都不會執(zhí)行
????Ok(())
}

我們執(zhí)行一下看看輸出：