Rust错误处理

返回值和错误处理

panic 深入剖析

主动调用

fn main() {
    panic!("crash and burn");
}

backtrace 栈展开

panic 时的两种终止方式

当出现 panic! 时，程序提供了两种方式来处理终止流程：栈展开和直接终止

何时该使用 panic!

先来一点背景知识，在前面章节我们粗略讲过 Result<T, E> 这个枚举类型，它是用来表示函数的返回结果：

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

当没有错误发生时，函数返回一个用 Result 类型包裹的值 Ok(T)，当错误时，返回一个 Err(E)。对于 Result 返回我们有很多处理方法，最简单粗暴的就是 unwrap 和 expect，这两个函数非常类似，我们以 unwrap 举例：

use std::net::IpAddr;
let home: IpAddr = "127.0.0.1".parse().unwrap();

返回值和?

对返回的错误进行处理

use std::fs::File;
use std::io::ErrorKind;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt");

    let f = match f {
        Ok(file) => file,
        Err(error) => match error.kind() {
            ErrorKind::NotFound => match File::create("hello.txt") {
                Ok(fc) => fc,
                Err(e) => panic!("Problem creating the file: {:?}", e),
            },
            other_error => panic!("Problem opening the file: {:?}", other_error),
        },
    };
}

上面代码在匹配出 error 后，又对 error 进行了详细的匹配解析，最终结果：

• 如果是文件不存在错误 ErrorKind::NotFound，就创建文件，这里创建文件File::create 也是返回 Result，因此继续用 match 对其结果进行处理：创建成功，将新的文件句柄赋值给 f，如果失败，则 panic
  剩下的错误，一律 panic
• expect 跟 unwrap 很像，也是遇到错误直接 panic, 但是会带上自定义的错误提示信息，相当于重载了错误打印的函数：

失败就 panic: unwrap 和 expect

在不需要处理错误的场景，例如写原型、示例时，我们不想使用 match 去匹配 Result<T, E> 以获取其中的 T 值，因为 match 的穷尽匹配特性，你总要去处理下 Err 分支。那么有没有办法简化这个过程？有，答案就是 unwrap 和 expect。

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt").expect("Failed to open hello.txt");
}

如果调用这段代码时 hello.txt 文件不存在，那么 unwrap 就将直接 panic：

thread 'main' panicked at 'called `Result::unwrap()` on an `Err` value: Os { code: 2, kind: NotFound, message: "No such file or directory" }', src/main.rs:4:37
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

expect 跟 unwrap 很像，也是遇到错误直接 panic, 但是会带上自定义的错误提示信息，相当于重载了错误打印的函数：

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt").expect("Failed to open hello.txt");
}

报错如下：

thread 'main' panicked at 'Failed to open hello.txt: Os { code: 2, kind: NotFound, message: "No such file or directory" }', src/main.rs:4:37
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

传播错误

程序几乎不太可能只有 A->B 形式的函数调用，一个设计良好的程序，一个功能涉及十几层的函数调用都有可能。而错误处理也往往不是哪里调用出错，就在哪里处理，实际应用中，大概率会把错误层层上传然后交给调用链的上游函数进行处理，错误传播将极为常见。

例如以下函数从文件中读取用户名，然后将结果进行返回：

use std::fs::File;
use std::io::{self, Read};

fn read_username_from_file() -> Result<String, io::Error> {
    // 打开文件，f是`Result<文件句柄,io::Error>`
    let f = File::open("hello.txt");

    let mut f = match f {
        // 打开文件成功，将file句柄赋值给f
        Ok(file) => file,
        // 打开文件失败，将错误返回(向上传播)
        Err(e) => return Err(e),
    };
    // 创建动态字符串s
    let mut s = String::new();
    // 从f文件句柄读取数据并写入s中
    match f.read_to_string(&mut s) {
        // 读取成功，返回Ok封装的字符串
        Ok(_) => Ok(s),
        // 将错误向上传播
        Err(e) => Err(e),
    }
}

有几点值得注意：

• 该函数返回一个 Result<String, io::Error> 类型，当读取用户名成功时，返回 Ok(String)，失败时，返回 Err(io:Error)
• File::open 和 f.read_to_string 返回的 Result<T, E> 中的 E 就是 io::Error
  由此可见，该函数将 io::Error 的错误往上进行传播，该函数的调用者最终会对 Result<String,io::Error> 进行再处理，至于怎么处理就是调用者的事，如果是错误，它可以选择继续向上传播错误，也可以直接 panic，亦或将具体的错误原因包装后写入 socket 中呈现给终端用户。

。

传播界的大明星: ?

use std::fs::File;
use std::io;
use std::io::Read;

fn read_username_from_file() -> Result<String, io::Error> {
    let mut f = File::open("hello.txt")?;
    let mut s = String::new();
    f.read_to_string(&mut s)?;
    Ok(s)
}

看到没，这就是排面，相比前面的 match 处理错误的函数，代码直接减少了一半不止.

其实 ? 就是一个宏，它的作用跟上面的 match 几乎一模一样：

let mut f = match f {
    // 打开文件成功，将file句柄赋值给f
    Ok(file) => file,
    // 打开文件失败，将错误返回(向上传播)
    Err(e) => return Err(e),
};

如果结果是 Ok(T)，则把 T 赋值给 f，如果结果是 Err(E)，则返回该错误，所以 ? 特别适合用来传播错误。

虽然 ? 和 match 功能一致，但是事实上 ? 会更胜一筹。

想象一下，一个设计良好的系统中，肯定有自定义的错误特征，错误之间很可能会存在上下级关系，例如标准库中的 std::io::Error 和 std::error::Error，前者是 IO 相关的错误结构体，后者是一个最最通用的标准错误特征，同时前者实现了后者，因此 std::io::Error 可以转换为 std:error::Error。

明白了以上的错误转换，? 的更胜一筹就很好理解了，它可以自动进行类型提升（转换）：

fn open_file() -> Result<File, Box<dyn std::error::Error>> {
    let mut f = File::open("hello.txt")?;
    Ok(f)
}

上面代码中 File::open 报错时返回的错误是 std::io::Error 类型，但是 open_file 函数返回的错误类型是 std::error::Error 的特征对象，可以看到一个错误类型通过 ? 返回后，变成了另一个错误类型，这就是 ? 的神奇之处。

根本原因是在于标准库中定义的 From 特征，该特征有一个方法 from，用于把一个类型转成另外一个类型，? 可以自动调用该方法，然后进行隐式类型转换。因此只要函数返回的错误 ReturnError 实现了 From<OtherError> 特征，那么 ? 就会自动把 OtherError 转换为 ReturnError。

这种转换非常好用，意味着你可以用一个大而全的 ReturnError 来覆盖所有错误类型，只需要为各种子错误类型实现这种转换即可。

use std::fs::File;
use std::io;
use std::io::Read;

fn read_username_from_file() -> Result<String, io::Error> {
    let mut s = String::new();

    File::open("hello.txt")?.read_to_string(&mut s)?;

    Ok(s)
}

？ ? 还能实现链式调用，File::open 遇到错误就返回，没有错误就将 Ok 中的值取出来用于下一个方法调用，简直太精妙了.

use std::fs;
use std::io;

fn read_username_from_file() -> Result<String, io::Error> {
    // read_to_string是定义在std::io中的方法，因此需要在上面进行引用
    fs::read_to_string("hello.txt")
}

从文件读取数据到字符串中，是比较常见的操作，因此 Rust 标准库为我们提供了 fs::read_to_string 函数，该函数内部会打开一个文件、创建 String、读取文件内容最后写入字符串并返回，因为该函数其实与本章讲的内容关系不大，因此放在最后来讲，其实只是我想震你们一下 :)

? 用于 Option 的返回

? 不仅仅可以用于 Result 的传播，还能用于 Option 的传播，再来回忆下 Option 的定义：

pub enum Option<T> {
    Some(T),
    None
}

Result 通过 ? 返回错误，那么 Option 就通过 ? 返回 None：

fn first(arr: &[i32]) -> Option<&i32> {
   let v = arr.get(0)?;
   Some(v)
}

新手用 ? 常会犯的错误

初学者在用 ? 时，老是会犯错，例如写出这样的代码：

fn first(arr: &[i32]) -> Option<&i32> {
   arr.get(0)?
}

这段代码无法通过编译，切记：? 操作符需要一个变量来承载正确的值，这个函数只会返回 Some(&i32) 或者 None，只有错误值能直接返回，正确的值不行，所以如果数组中存在 0 号元素，那么函数第二行使用 ? 后的返回类型为 &i32 而不是 Some(&i32)。因此 ? 只能用于以下形式：

let v = xxx()?;
xxx()?.yyy()?;

带返回值的 main 函数

在了解了 ? 的使用限制后，这段代码你很容易看出它无法编译：

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt")?;
}

运行后会报错:

$ cargo run
   ...
   the `?` operator can only be used in a function that returns `Result` or `Option` (or another type that implements `FromResidual`)
 --> src/main.rs:4:48
  |
3 | fn main() {
  | --------- this function should return `Result` or `Option` to accept `?`
4 |     let greeting_file = File::open("hello.txt")?;
  |                                                ^ cannot use the `?` operator in a function that returns `()`
  |
  = help: the trait `FromResidual<Result<Infallible, std::io::Error>>` is not implemented for `()`

因为 ? 要求 Result<T, E> 形式的返回值，而 main 函数的返回是 ()，因此无法满足，那是不是就无解了呢？

实际上 Rust 还支持另外一种形式的 main 函数：

use std::error::Error;
use std::fs::File;

fn main() -> Result<(), Box<dyn Error>> {
    let f = File::open("hello.txt")?;

    Ok(())
}

这样就能使用 ? 提前返回了，同时我们又一次看到了Box<dyn Error> 特征对象，因为 std::error:Error 是 Rust 中抽象层次最高的错误，其它标准库中的错误都实现了该特征，因此我们可以用该特征对象代表一切错误，就算 main 函数中调用任何标准库函数发生错误，都可以通过 Box<dyn Error> 这个特征对象进行返回。