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Rust从入门到精通之入门篇：9.错误处理基础

article 2025/3/31 17:56:06

错误处理基础

在本章中，我们将学习 Rust 的错误处理机制。错误处理是编写健壮软件的关键部分，Rust 提供了一套强大的错误处理工具，帮助开发者编写可靠的代码。

错误处理哲学

Rust 的错误处理哲学基于以下原则：

  1. 显式处理错误：Rust 强制开发者显式处理可能的错误情况，而不是默默忽略它们。
  2. 区分可恢复和不可恢复错误：
    • 可恢复错误：如文件未找到，使用 Result<T, E> 类型处理
    • 不可恢复错误：如数组越界访问，使用 panic! 宏处理

不可恢复错误与 panic!

当程序遇到无法处理的情况时，可以使用 panic! 宏终止程序。

fn main() {
    panic!("崩溃并燃烧");
}

运行这段代码会产生类似以下的输出：

thread 'main' panicked at '崩溃并燃烧', src/main.rs:2:5

何时使用 panic!

  • 程序遇到不可恢复的错误
  • 外部不可控代码出现错误（如解析配置文件失败）
  • 在示例、原型和测试中快速失败

自动触发 panic! 的情况

某些操作会自动触发 panic，例如：

fn main() {
    let v = vec![1, 2, 3];
    v[99]; // 这会导致 panic，因为索引超出范围
}

使用 RUST_BACKTRACE 获取回溯信息

当 panic 发生时，可以设置环境变量 RUST_BACKTRACE=1 获取详细的回溯信息，帮助调试：

RUST_BACKTRACE=1 cargo run

可恢复错误与 Result

对于可恢复的错误，Rust 提供了 Result<T, E> 枚举：

enum Result<T, E> {
    Ok(T),  // 操作成功，包含成功值
    Err(E), // 操作失败，包含错误信息
}

使用 Result

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt");
    
    let f = match f {
        Ok(file) => file,
        Err(error) => {
            println!("打开文件时出错: {:?}", error);
            return;
        },
    };
    
    // 使用文件 f...
}

匹配不同的错误

可以根据错误类型采取不同的处理策略：

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!("创建文件失败: {:?}", e),
            },
            other_error => panic!("打开文件失败: {:?}", other_error),
        },
    };
}

Result 的简便方法

Result 类型提供了许多简便方法，避免编写大量 match 表达式：

unwrap

unwrap 在 Result 为 Ok 时返回 Ok 中的值，为 Err 时调用 panic!：

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt").unwrap(); // 如果失败，会 panic
}
expect

expect 类似于 unwrap，但允许指定 panic 消息：

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt")
        .expect("无法打开 hello.txt 文件");
}
unwrap_or_else

unwrap_or_else 允许在错误时执行闭包：

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

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt").unwrap_or_else(|error| {
        if error.kind() == ErrorKind::NotFound {
            File::create("hello.txt").unwrap_or_else(|error| {
                panic!("创建文件失败: {:?}", error);
            })
        } else {
            panic!("打开文件失败: {:?}", error);
        }
    });
}

错误传播

当函数内部遇到错误时，可以将错误传播给调用者处理，而不是在函数内部处理：

使用 match 传播错误

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

fn read_username_from_file() -> Result<String, io::Error> {
    let f = File::open("hello.txt");

    let mut f = match f {
        Ok(file) => file,
        Err(e) => return Err(e),
    };

    let mut s = String::new();

    match f.read_to_string(&mut s) {
        Ok(_) => Ok(s),
        Err(e) => Err(e),
    }
}

使用 ? 运算符简化错误传播

Rust 提供了 ? 运算符来简化错误传播：

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

? 运算符在 Result 为 Ok 时返回 Ok 中的值，为 Err 时提前返回该错误。

可以进一步简化：

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

甚至可以使用标准库函数：

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

fn read_username_from_file() -> Result<String, io::Error> {
    fs::read_to_string("hello.txt")
}

? 运算符的限制

? 运算符只能用于返回 Result 或 Option 的函数：

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt")?; // 错误：main 函数返回 ()
}

可以修改 main 函数的返回类型：

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

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

Option 类型的错误处理

Option<T> 枚举表示一个可能存在或不存在的值：

enum Option<T> {
    Some(T), // 有值
    None,    // 无值
}

处理 Option 值

fn find_first_even(numbers: &[i32]) -> Option<i32> {
    for &num in numbers {
        if num % 2 == 0 {
            return Some(num);
        }
    }
    None
}

fn main() {
    let numbers = vec![1, 3, 5, 7, 8, 9];
    
    match find_first_even(&numbers) {
        Some(num) => println!("找到第一个偶数: {}", num),
        None => println!("没有找到偶数"),
    }
}

Option 的方法

unwrap 和 expect

与 Result 类似，Option 也有 unwrap 和 expect 方法：

fn main() {
    let numbers = vec![1, 3, 5, 7, 8, 9];
    
    // 如果没有偶数，会 panic
    let first_even = find_first_even(&numbers).unwrap();
    
    // 提供自定义 panic 消息
    let first_even = find_first_even(&numbers)
        .expect("数组中应该有偶数");
}
unwrap_or 和 unwrap_or_else

提供默认值或计算默认值的闭包：

fn main() {
    let numbers = vec![1, 3, 5, 7, 9];
    
    // 提供默认值
    let first_even = find_first_even(&numbers).unwrap_or(0);
    
    // 使用闭包计算默认值
    let first_even = find_first_even(&numbers).unwrap_or_else(|| {
        println!("没有找到偶数，使用默认值");
        0
    });
}
map 和 and_then

转换 Option 中的值：

fn main() {
    let numbers = vec![1, 3, 5, 7, 8, 9];
    
    // 将找到的偶数乘以 2
    let doubled = find_first_even(&numbers).map(|x| x * 2);
    
    println!("找到的第一个偶数乘以 2: {:?}", doubled);
}

? 运算符与 Option

? 运算符也可用于 Option：

fn first_even_plus_one(numbers: &[i32]) -> Option<i32> {
    let first_even = find_first_even(numbers)?;
    Some(first_even + 1)
}

错误处理的最佳实践

  1. 使用 Result 而非 panic：除非错误确实无法恢复，否则优先使用 Result
  2. 提供有意义的错误信息：使用 expect 而非 unwrap，提供清晰的错误消息
  3. 在适当的层级处理错误：将错误传播到能够做出明智决定的代码层级
  4. 避免错误处理代码泛滥：使用 ? 运算符简化错误处理
  5. 为库代码返回错误，为应用代码处理错误：库应该将错误传播给调用者，应用应该决定如何处理错误

自定义错误类型

对于复杂应用，可以创建自定义错误类型：

use std::fmt;
use std::error::Error;

#[derive(Debug)]
enum AppError {
    FileError(std::io::Error),
    ParseError(String),
    ValidationError(String),
}

impl fmt::Display for AppError {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        match self {
            AppError::FileError(e) => write!(f, "文件错误: {}", e),
            AppError::ParseError(msg) => write!(f, "解析错误: {}", msg),
            AppError::ValidationError(msg) => write!(f, "验证错误: {}", msg),
        }
    }
}

impl Error for AppError {}

impl From<std::io::Error> for AppError {
    fn from(error: std::io::Error) -> Self {
        AppError::FileError(error)
    }
}

fn read_config(path: &str) -> Result<String, AppError> {
    use std::fs;
    let content = fs::read_to_string(path)?; // io::Error 自动转换为 AppError
    
    if content.is_empty() {
        return Err(AppError::ValidationError("配置文件不能为空".to_string()));
    }
    
    Ok(content)
}

示例程序

让我们编写一个程序，展示 Rust 中错误处理的各种方法：

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

// 使用 ? 运算符传播错误
fn read_file(path: &str) -> Result<String, io::Error> {
    let mut file = File::open(path)?;
    let mut content = String::new();
    file.read_to_string(&mut content)?;
    Ok(content)
}

// 创建文件并写入内容
fn write_file(path: &str, content: &str) -> Result<(), io::Error> {
    let mut file = File::create(path)?;
    file.write_all(content.as_bytes())?;
    Ok(())
}

// 查找文件中的特定单词
fn find_word(content: &str, word: &str) -> Option<usize> {
    content.find(word)
}

// 处理可能的错误情况
fn process_file(path: &str, word: &str) -> Result<(), Box<dyn Error>> {
    // 尝试读取文件
    let content = match read_file(path) {
        Ok(content) => content,
        Err(e) => {
            if e.kind() == io::ErrorKind::NotFound {
                // 文件不存在，创建一个新文件
                println!("文件不存在，创建新文件");
                write_file(path, "Hello, Rust!\nError handling is important.\n")?;
                "Hello, Rust!\nError handling is important.\n".to_string()
            } else {
                // 其他错误，返回错误
                return Err(Box::new(e));
            }
        }
    };
    
    // 查找单词
    match find_word(&content, word) {
        Some(position) => println!("在位置 {} 找到单词 '{}'", position, word),
        None => println!("未找到单词 '{}'", word),
    }
    
    Ok(())
}

fn main() -> Result<(), Box<dyn Error>> {
    let path = "example.txt";
    let word = "Rust";
    
    println!("处理文件: {}", path);
    process_file(path, word)?;
    
    // 使用 unwrap_or_else 处理错误
    let content = read_file("nonexistent.txt").unwrap_or_else(|error| {
        println!("读取文件失败: {}", error);
        "默认内容".to_string()
    });
    println!("文件内容: {}", content);
    
    // 使用 Option 的方法
    let numbers = vec![1, 3, 5, 7, 9];
    let first_even = numbers.iter().find(|&&x| x % 2 == 0);
    
    let result = first_even
        .map(|&x| x * 2)
        .unwrap_or_else(|| {
            println!("没有找到偶数");
            0
        });
    
    println!("结果: {}", result);
    
    Ok(())
}

练习题

  1. 编写一个函数，接受一个文件路径，返回文件中的行数。使用适当的错误处理机制处理可能的错误情况。

  2. 修改上面的函数，使其返回一个自定义错误类型，该类型可以表示不同种类的错误（文件不存在、权限不足等）。

  3. 编写一个程序，从用户输入读取一个数字，并计算其平方根。使用 Result 和 Option 处理可能的错误情况（输入不是数字、负数没有实数平方根等）。

  4. 实现一个简单的配置文件解析器，从文件中读取键值对。使用错误传播处理各种可能的错误（文件不存在、格式错误等）。

  5. 编写一个函数，接受一个字符串切片，尝试将其解析为不同的数据类型（整数、浮点数、布尔值）。返回一个枚举，表示成功解析的类型和值，或者解析失败的错误。

总结

在本章中，我们学习了：

  • Rust 的错误处理哲学：显式处理错误，区分可恢复和不可恢复错误
  • 使用 panic! 处理不可恢复错误
  • 使用 Result<T, E> 处理可恢复错误
  • 错误传播技术，包括使用 ? 运算符
  • Option<T> 类型及其处理方法
  • 错误处理的最佳实践
  • 创建自定义错误类型

错误处理是编写健壮 Rust 程序的关键部分。通过强制开发者显式处理错误，Rust 帮助我们编写更可靠的代码，避免许多常见的错误情况。在下一章中，我们将学习 Rust 的包和模块系统，它是组织大型代码库的重要工具。


http://www.kler.cn/a/613898.html

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