Rust 是怎麼處理錯誤的？
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。那麼現有的主流語言是怎麼處理錯誤的呢？比如調用一個函數，如果函數執行的時候出錯了，那麼該怎麼處理呢。
C 語言
C 是一門古老的語言，通常會以指針作爲參數，在函數內部進行解引用，修改指針指向的值。然後用 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麼異常。
Java
引入了 checked exception，方法的所有者可以聲明自己會拋出什麼異常，然後調用者對異常進行處理。在 Java 程序啓動時，拋出大量異常都是司空見慣的事情，並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，則採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，因爲設計者認爲這會把控制流搞得非常亂。在 Go 和 Rust 裏面，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，那麼 error 就是空；如果文件打開失敗，那麼 error 就是錯誤原因。
所以對於 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，那麼必須先對 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 裏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 裏面，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。這時候程序並不會有異常產生，而是正常執行，只是作爲返回值的 error 不爲空，開發者要基於 error 進行下一步處理。
但如果出現了異常，那麼一定是代碼寫錯了，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 裏面異常又叫做不可恢復的錯誤。
不可恢復的錯誤
如果在 Rust 裏面出現了異常，也就是不可恢復的錯誤，那麼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爲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 裏面引發異常通過 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!("程序不會執行到這裏");
}
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 設置爲 1，還可以顯示調用棧。
然後除了 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! 裏面的布爾值爲真，無事發生
// 如果爲假，那麼程序會 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，爲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 裏的 raise NotImplementedError 是比較相似的。
最後在 Rust 裏面還有一個常用的宏，用於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 大於 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裏
// 因爲 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，因爲如果 for 循環結束，
// 那麼返回值就不符合 u32 類型了，儘管我們知道 for 循環不可能結束
// 爲此我們可以隨便 return 一個 u32，並寫上註釋
// "此處是爲了保證函數簽名合法，但程序不會執行到這裏"
// 而更專業的做法是使用一個宏
unreachable!("程序不可能執行到這裏");
}
如果程序真的執行到了該宏所在的地方，那麼同樣會觸發一個不可恢復的錯誤。
以上就是 Rust 裏面的幾個用於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，一般稱之爲錯誤。在 Go 裏面錯誤是通過多返回值實現的，如果程序可能出現錯誤，那麼會多返回一個 error，然後根據 error 是否爲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，然後纔可以執行下一步，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，那麼就是這個樣子。可以看到它就是一個簡單的枚舉，並且帶有兩個泛型。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。
然後枚舉 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，並且 Rust 比 Go 更加嚴格。對於 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。
因爲 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，由於 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 爲了避免控制流混亂，並沒有引入 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。可以看到程序將整個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。
而對於 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，那麼會將 error 打的亂七八糟的。所以我們更傾向於錯誤能夠在上下文當中傳遞，對於 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 裏面通過 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
// 並且它們的錯誤類型要相同，比如這裏都是 &'static str
let ret = external_some_func()?;
Ok((ret + 1) as f64)
}
fn main() {
println!("{:?}", call1()); // Ok(667.0)
println!("{:?}", call2()); // Ok(667.0)
}
裏面的 call1 和 call2 是等價的，如果在 call2 裏面函數調用出錯了，那麼會自動將錯誤返回。並且注意 call2 裏面的 ret，它是 u32，不是 Ok(u32)。因爲函數調用出錯會直接返回，不出錯則會將 Ok 裏面的 u32 取出來賦值給 ret。
然後我們說如果 external_some_func 函數執行出錯了，那麼 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，並且裏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，並且還更簡潔，只需要在函數調用後面加一個問號即可。
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麼辦呢？
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，錯誤並不是一個簡單的字符串，因爲那樣能攜帶的信息太少。基本上都是一個結構體，文字格式的錯誤信息只是裏面的字段之一，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> 裏面的 E 不同。而如果是這種情況的話，問號表達式就會失效，那麼我們應該怎麼做呢？
// 其它代碼不變
#[derive(Debug)]
enum MyError {
Error1(FileNotFoundError),
Error2(IndexError)
}
// 爲 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，因爲 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
// 然後將錯誤統一轉換爲 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，那麼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，那麼這個時候調用方就必須使用一個新的錯誤類型，其數據結構通常爲枚舉。
而枚舉裏的成員要包含所有可能發生的錯誤類型，比如這裏的 FileNotFoundError 和 IndexError。然後爲枚舉實現 From trait，該 trait 帶了一個泛型，並且內部定義了一個 from 方法。
我們在實現之後，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，然後返回。
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。最後再補充一點，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() 的後面沒有加問號
// 那麼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 ? 那麼就不一樣了
// 在調用沒出錯的時候，會直接將 Ok(...) 裏面的值取出來
// 調用出錯的時候，當前函數會中止運行，
// 並將被調用方（這裏是 call2）的錯誤作爲調用方（這裏是 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()?);
// 爲了使函數簽名合法，這裏要返回一個值，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：
由於 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。
小結
以上就是 Rust 的錯誤處理，相比其它語言來說，確實難理解了一些。另外從該系列的開始到現在，我們介紹的都屬於基礎內容，而且有些地方介紹的還不夠詳細，後續我們會將這些內容以更深入的方式做一個補充。
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