Rust中的返回值与错误处理

返回值和错误处理

Rust 中的错误主要分为两类：

• 可恢复错误，通常用于从系统全局角度来看可以接受的错误，例如处理用户的访问、操作等错误，这些错误只会影响某个用户自身的操作进程，而不会对系统的全局稳定性产生影响，Result 用于可恢复错误
• 不可恢复错误，刚好相反，该错误通常是全局性或者系统性的错误，例如数组越界访问，系统启动时发生了影响启动流程的错误等等，这些错误的影响往往对于系统来说是致命的，panic! 用于不可恢复错误。

panic! 剖析

当遇到不可恢复错误时，Rust 为我们提供了 panic! 宏，当调用执行该宏时，程序会打印出一个错误信息，展开报错点往前的函数调用堆栈，最后退出程序。

调用 panic!

可以在程序的任何地方调用 panic!，例如：

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

运行后输出:

thread 'main' panicked at 'crash and burn', src/main.rs:2:5
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

以上信息包含了两条重要信息：

• main 函数所在的线程崩溃了，发生的代码位置是 src/main.rs 中的第 2 行第 5 个字符（去除该行前面的空字符）
• 在使用时加上一个环境变量可以获取更详细的栈展开信息：
  • Linux/macOS 等 UNIX 系统： RUST_BACKTRACE=1 cargo run
  • Windows 系统（PowerShell）： $env:RUST_BACKTRACE=1 ; cargo run

栈展开(也称栈回溯)，它包含了函数调用的顺序，当然按照逆序排列：最近调用的函数排在列表的最上方。因为 main 函数基本是最先调用的函数了，所以排在了倒数第二位，还有一个关注点，排在最顶部最后一个调用的函数是 rust_begin_unwind，该函数的目的就是进行栈展开，呈现这些列表信息给我们。

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。默认的方式就是 栈展开，这意味着 Rust 会回溯栈上数据和函数调用，因此也意味着更多的善后工作，好处是可以给出充分的报错信息和栈调用信息，便于事后的问题复盘。直接终止，顾名思义，不清理数据就直接退出程序，善后工作交与操作系统来负责。

线程panic后，如果是 main 线程，则程序会终止，如果是其它子线程，该线程会终止，但是不会影响 main 线程。因此，尽量不要在 main 线程中做太多任务，将这些任务交由子线程去做，就算子线程 panic 也不会导致整个程序的结束。

返回值 Result 和 ?

File::open 需要一个方式告知调用者是成功还是失败，并同时返回具体的文件句柄(成功)或错误信息(失败)，这些信息可以通过 Result 枚举提供。实际上 IO 的错误有很多种，我们需要对部分错误进行特殊处理，而不是所有错误都直接崩溃：

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),
        },
    };
}

代码很清晰，对打开文件后的 Result 类型进行匹配取值，如果是成功，则将 Ok(file) 中存放的的文件句柄 file 赋值给 f，如果失败，则将对 Err(error) 中存放的错误信息 进行详细的匹配解析：

• 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

失败就 panic: unwrap 和 expect

unwrap 和 expect的作用是，如果返回成功，就将 Ok(T) 中的值取出来，如果失败，就直接 panic。

use std::fs::File;

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

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

可以看出，expect 相比 unwrap 能提供更精确的错误信息，在有些场景也会更加实用。

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。

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

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

有几点值得注意：

• 该函数返回一个 Result 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 中的 E 就是 io::Error

其实 ? 就是一个宏，它的作用跟 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。

?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。

? 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：

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)
}

还可以以更简短的代码从文件读取数据到字符串中， 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

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")
}

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()?;