Rust錯(cuò)誤處理有哪些

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Rust錯(cuò)誤處理有哪些

錯(cuò)誤處理是編程語(yǔ)言中很重要的一個(gè)方面。目前，錯(cuò)誤處理的方式分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是以C語(yǔ)言為首的基于返回值的錯(cuò)誤處理方案，第二類(lèi)是以Java語(yǔ)言為首的基于異常的錯(cuò)誤處理方案。也可以從發(fā)生了錯(cuò)誤是否可恢復(fù)來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，例如，C語(yǔ)言中對(duì)可恢復(fù)的錯(cuò)誤會(huì)使用錯(cuò)誤碼返回值，對(duì)不可恢復(fù)的錯(cuò)誤會(huì)直接調(diào)用exit來(lái)退出程序；Java的異常體系分為Exception和Error，分別對(duì)應(yīng)可恢復(fù)錯(cuò)誤和不可恢復(fù)錯(cuò)誤。在Rust中，錯(cuò)誤處理的方案和C語(yǔ)言類(lèi)似，但更加完善好用：對(duì)于不可恢復(fù)錯(cuò)誤，使用panic來(lái)處理，使得程序直接退出并可輸出相關(guān)信息；對(duì)于可恢復(fù)錯(cuò)誤，使用Option和Result來(lái)對(duì)返回值進(jìn)行封裝，表達(dá)能力更強(qiáng)。

不可恢復(fù)錯(cuò)誤

panic簡(jiǎn)介

對(duì)于不可恢復(fù)錯(cuò)誤，Rust提供了panic機(jī)制來(lái)使得程序迅速崩潰，并報(bào)告相應(yīng)的出錯(cuò)信息。panic出現(xiàn)的場(chǎng)景一般是：如果繼續(xù)執(zhí)行下去就會(huì)有極其嚴(yán)重的內(nèi)存安全問(wèn)題，這種時(shí)候讓程序繼續(xù)執(zhí)行導(dǎo)致的危害比崩潰更嚴(yán)重。舉個(gè)例子：

fn main() {
    let v = vec![1, 2, 3];
    println!("{:?}", v[6]);
}

對(duì)于上面的程序，數(shù)組v有三個(gè)元素，但索引值是6，所以運(yùn)行后程序會(huì)崩潰并報(bào)以下錯(cuò)誤：

thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 3 but the index is 6', src/main.rs:176:22
stack backtrace:
   函數(shù)調(diào)用棧...

panic實(shí)現(xiàn)機(jī)制

在Rust中，panic的實(shí)現(xiàn)機(jī)制有兩種方式：

unwind方式：發(fā)生panic時(shí)，會(huì)一層一層地退出函數(shù)調(diào)用棧，棧內(nèi)的局部變量還可以正常析構(gòu)。
abort方式：發(fā)生panic時(shí)，直接退出整個(gè)程序。

默認(rèn)情況下編譯器使用unwind方式，函數(shù)調(diào)用棧信息可以幫助我們快速定位發(fā)生panic的第一現(xiàn)場(chǎng)；但某些嵌入式系統(tǒng)因資源不足而只能選擇abort方式，可以通過(guò)rustc -C panic=abort test.rs方式指定。

在Rust中，通過(guò)unwind方式實(shí)現(xiàn)的panic，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式基本與C++的異常是一樣的。Rust提供了一些工具函數(shù)，可以像try-catch機(jī)制那樣讓用戶在代碼中終止棧展開(kāi)，例如：

fn main() {
    std::panic::catch_unwind(|| {
        let v = vec![1, 2, 3];
        println!("{:?}", v[6]);
        println!("interrupted"); // 沒(méi)有輸出
    })
    .ok();

    println!("continue"); // 正常輸出
}

運(yùn)行程序可以發(fā)現(xiàn)，println!("interrupted");語(yǔ)句沒(méi)有執(zhí)行，因此在上一條語(yǔ)句出發(fā)了panic，這個(gè)函數(shù)調(diào)用棧開(kāi)始銷(xiāo)毀，但std::panic::catch_unwind阻止了調(diào)用棧的繼續(xù)展開(kāi)，因此println!("continue");得以正常執(zhí)行。

需要注意的是，不要像try-catch那樣使用catch_unwind來(lái)進(jìn)行流程控制，Rust更推薦基于返回值的錯(cuò)誤處理機(jī)制，因?yàn)榧热话l(fā)生panic了，就讓程序越早崩潰越好，這有利于調(diào)試bug，而使用catch_unwind會(huì)讓錯(cuò)誤暫時(shí)被壓制，從而讓錯(cuò)誤傳遞到其他位置，導(dǎo)致不容易找到程序崩潰的第一現(xiàn)場(chǎng)。catch_unwind主要用于以下兩種情況：

在FFI的場(chǎng)景下，若C語(yǔ)言調(diào)用了Rust的函數(shù)，在Rust內(nèi)部出現(xiàn)了panic，如果這個(gè)panic在Rust內(nèi)部沒(méi)處理好，直接扔到C代碼中去，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生“未定義行為”。
某些高級(jí)抽象機(jī)制需要阻止棧展開(kāi)，例如線程池。如果一個(gè)線程中出現(xiàn)了panic，我們只希望把這個(gè)線程關(guān)閉，而不是將整個(gè)線程池拖下水。

可恢復(fù)錯(cuò)誤

基本錯(cuò)誤處理

對(duì)于可恢復(fù)的錯(cuò)誤，Rust中提供了基于返回值的方案，主要基于Option<T>和Result<T, E>類(lèi)型。Option<T>代表返回值要么是空要么是非空，Result<T, E>代表返回值要么是正常值的要么錯(cuò)誤值。它們的定義如下：

pub enum Option<T> {
    /// No value
    None,
    /// Some value `T`
    Some(#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")] T),
}

pub enum Result<T, E> {
    /// Contains the success value
    Ok(#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")] T),

    /// Contains the error value
    Err(#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")] E),
}

我們來(lái)看一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中對(duì)Result<T, E>的典型用法，FromStr中的from_str方法可以通過(guò)字符串構(gòu)造出當(dāng)前類(lèi)型的實(shí)例，但可能會(huì)構(gòu)造失敗。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中針對(duì)bool類(lèi)型實(shí)現(xiàn)了這個(gè)trait，正常情況返回bool類(lèi)型的值，異常情況返回ParseBoolError類(lèi)型的值：

pub trait FromStr: Sized {
    /// The associated error which can be returned from parsing.
    type Err;

    fn from_str(s: &str) -> Result<Self, Self::Err>;
}

impl FromStr for bool {
    type Err = ParseBoolError;

    fn from_str(s: &str) -> Result<bool, ParseBoolError> {
        match s {
            "true" => Ok(true),
            "false" => Ok(false),
            _ => Err(ParseBoolError { _priv: () }),
        }
    }
}

我們?cè)賮?lái)看一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中對(duì)Option<T>的典型用法，Iterator的next方法要么返回下一個(gè)元素，要么無(wú)元素可返回，因此使用Option<T>非常合適。

#[must_use = "iterators are lazy and do nothing unless consumed"]
pub trait Iterator {
    type Item;
    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
    ...
}

Option<T>類(lèi)型解決了許多編程語(yǔ)言中存在的空指針問(wèn)題?？罩羔樳@個(gè)設(shè)計(jì)在加入編程語(yǔ)言時(shí)沒(méi)有經(jīng)過(guò)深思熟慮，而只是因?yàn)橐子趯?shí)現(xiàn)而已。空指針最大的問(wèn)題在于，它違背了類(lèi)型系統(tǒng)的規(guī)定。類(lèi)型規(guī)定了數(shù)據(jù)可能的取值范圍，規(guī)定了在這些值上可能的操作，也規(guī)定了這些數(shù)據(jù)代表的含義，還規(guī)定了這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式。但是，一個(gè)普通的指針和一個(gè)空指針，哪怕它們是同樣的類(lèi)型，做同樣的操作，所得到的結(jié)果是不同的。因此，并不能說(shuō)空指針和普通指針是同一個(gè)類(lèi)型，空指針在類(lèi)型系統(tǒng)上打開(kāi)了一個(gè)缺口，引入了一個(gè)必須在運(yùn)行期特殊處理的值，它讓編譯器的類(lèi)型檢查在此失去了意義。對(duì)此，Rust的解決方案是把空指針null從一個(gè)值上升為一個(gè)類(lèi)型，用enum類(lèi)型的Option<T>的None來(lái)代表空指針，而Rust中的enum要求在使用時(shí)必須對(duì)enum的每一種可能性都進(jìn)行處理，因此強(qiáng)迫程序員必須考慮到Option<T>為None的情形。C/C++中也增添了類(lèi)似的設(shè)計(jì)，但由于前向兼容的問(wèn)題，無(wú)法強(qiáng)制使用，因此其作用也就弱化了很多。

問(wèn)號(hào)運(yùn)算符

Rust中提供了問(wèn)號(hào)運(yùn)算符?語(yǔ)法糖來(lái)簡(jiǎn)化Result<T, E>和Option<T>的使用，問(wèn)號(hào)運(yùn)算符的意思是，如果結(jié)果是Err，則提前返回，否則繼續(xù)執(zhí)行。?對(duì)應(yīng)著std::ops::Try這個(gè)trait，編譯器會(huì)把expr?這個(gè)表達(dá)式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為以下語(yǔ)義：

match Try::into_result(expr) {
    Ok(V) => v,
    Err(e) => return Try::from_error(From::from(e)),
}

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中已經(jīng)為Result<T, E>和Option<T>兩個(gè)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)了Try：

impl<T> ops::Try for Option<T> {
    type Ok = T;
    type Error = NoneError;

    fn into_result(self) -> Result<T, NoneError> {
        self.ok_or(NoneError)
    }

    fn from_ok(v: T) -> Self {
        Some(v)
    }

    fn from_error(_: NoneError) -> Self {
        None
    }
}

impl<T> ops::Try for Option<T> {
    type Ok = T;
    type Error = NoneError;

    fn into_result(self) -> Result<T, NoneError> {
        self.ok_or(NoneError)
    }

    fn from_ok(v: T) -> Self {
        Some(v)
    }

    fn from_error(_: NoneError) -> Self {
        None
    }
}

可以看到，對(duì)于Result類(lèi)型，執(zhí)行問(wèn)號(hào)運(yùn)算符時(shí)，如果碰到Err，則調(diào)用Fromtrait做類(lèi)型轉(zhuǎn)換，然后中斷當(dāng)前邏輯提前返回。

需要注意的是，問(wèn)號(hào)運(yùn)算符的引入給main函數(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)閱?wèn)號(hào)運(yùn)算符要求函數(shù)返回值是Result類(lèi)型，而main函數(shù)是fn() -> ()類(lèi)型，解決這個(gè)問(wèn)題的辦法就是修改main函數(shù)的簽名類(lèi)型，但這樣又會(huì)破壞舊代碼。Rust最終的解決方案是引入了一個(gè)trait：

pub trait Termination {
    /// Is called to get the representation of the value as status code.
    /// This status code is returned to the operating system.
    fn report(self) -> i32;
}

impl Termination for () {
    #[inline]
    fn report(self) -> i32 {
        ExitCode::SUCCESS.report()
    }
}

impl<E: fmt::Debug> Termination for Result<(), E> {
    fn report(self) -> i32 {
        match self {
            Ok(()) => ().report(),
            Err(err) => Err::<!, _>(err).report(),
        }
    }
}

impl Termination for ! {
    fn report(self) -> i32 {
        self
    }
}

impl<E: fmt::Debug> Termination for Result<!, E> {
    fn report(self) -> i32 {
        let Err(err) = self;
        eprintln!("Error: {:?}", err);
        ExitCode::FAILURE.report()
    }
}

impl Termination for ExitCode {
    #[inline]
    fn report(self) -> i32 {
        self.0.as_i32()
    }
}

main函數(shù)的簽名就對(duì)應(yīng)地改成了fn<T: Termination>() -> T，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)為Result類(lèi)型、()類(lèi)型等都實(shí)現(xiàn)了這個(gè)trait，從而這些類(lèi)型都可以作為main函數(shù)的返回類(lèi)型了。

到此，關(guān)于“Rust錯(cuò)誤處理有哪些”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)?lái)更多實(shí)用的文章！

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