Result 与可恢复的错误

ch09-02-recoverable-errors-with-result.md
commit 0bac27c66136764c82fe267763945f3c65eea002

大部分错误并没有严重到需要程序完全停止执行。有时,一个函数会因为一个容易理解并做出反应的原因失败。例如,如果因为打开一个并不存在的文件而失败,此时我们可能想要创建这个文件,而不是终止进程。

回忆一下第二章 “使用 Result 类型来处理潜在的错误” 部分中的那个 Result 枚举,它定义有如下两个成员,OkErr


#![allow(unused)]
fn main() {
enum Result<T, E> {
    Ok(T),
    Err(E),
}
}

TE 是泛型类型参数;第十章会详细介绍泛型。现在你需要知道的就是 T 代表成功时返回的 Ok 成员中的数据的类型,而 E 代表失败时返回的 Err 成员中的错误的类型。因为 Result 有这些泛型类型参数,我们可以将 Result 类型和标准库中为其定义的函数用于很多不同的场景,这些情况中需要返回的成功值和失败值可能会各不相同。

让我们调用一个返回 Result 的函数,因为它可能会失败:如示例 9-3 所示打开一个文件:

文件名: src/main.rs

use std::fs::File;

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

示例 9-3:打开文件

如何知道 File::open 返回一个 Result 呢?我们可以查看 标准库 API 文档,或者可以直接问编译器!如果给 f 某个我们知道 不是 函数返回值类型的类型注解,接着尝试编译代码,编译器会告诉我们类型不匹配。然后错误信息会告诉我们 f 的类型 应该 是什么。让我们试试!我们知道 File::open 的返回值不是 u32 类型的,所以将 let f 语句改为如下:

use std::fs::File;

fn main() {
    let f: u32 = File::open("hello.txt");
}

现在尝试编译会给出如下输出:

$ cargo run
   Compiling error-handling v0.1.0 (file:///projects/error-handling)
error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:4:18
  |
4 |     let f: u32 = File::open("hello.txt");
  |            ---   ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ expected `u32`, found enum `Result`
  |            |
  |            expected due to this
  |
  = note: expected type `u32`
             found enum `Result<File, std::io::Error>`

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `error-handling` due to previous error

这就告诉我们了 File::open 函数的返回值类型是 Result<T, E>。这里泛型参数 T 放入了成功值的类型 std::fs::File,它是一个文件句柄。E 被用在失败值上时 E 的类型是 std::io::Error

这个返回值类型说明 File::open 调用可能会成功并返回一个可以进行读写的文件句柄。这个函数也可能会失败:例如,文件可能并不存在,或者可能没有访问文件的权限。File::open 需要一个方式告诉我们是成功还是失败,并同时提供给我们文件句柄或错误信息。而这些信息正是 Result 枚举可以提供的。

File::open 成功的情况下,变量 f 的值将会是一个包含文件句柄的 Ok 实例。在失败的情况下,f 的值会是一个包含更多关于出现了何种错误信息的 Err 实例。

我们需要在示例 9-3 的代码中增加根据 File::open 返回值进行不同处理的逻辑。示例 9-4 展示了一个使用基本工具处理 Result 的例子:第六章学习过的 match 表达式。

文件名: src/main.rs

use std::fs::File;

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

    let f = match f {
        Ok(file) => file,
        Err(error) => panic!("Problem opening the file: {:?}", error),
    };
}

示例 9-4:使用 match 表达式处理可能会返回的 Result 成员

注意与 Option 枚举一样,Result 枚举和其成员也被导入到了 prelude 中,所以就不需要在 match 分支中的 OkErr 之前指定 Result::

这里我们告诉 Rust 当结果是 Ok 时,返回 Ok 成员中的 file 值,然后将这个文件句柄赋值给变量 fmatch 之后,我们可以利用这个文件句柄来进行读写。

match 的另一个分支处理从 File::open 得到 Err 值的情况。在这种情况下,我们选择调用 panic! 宏。如果当前目录没有一个叫做 hello.txt 的文件,当运行这段代码时会看到如下来自 panic! 宏的输出:

$ cargo run
   Compiling error-handling v0.1.0 (file:///projects/error-handling)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.73s
     Running `target/debug/error-handling`
thread 'main' panicked at 'Problem opening the file: Os { code: 2, kind: NotFound, message: "No such file or directory" }', src/main.rs:8:23
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

一如既往,此输出准确地告诉了我们到底出了什么错。

匹配不同的错误

示例 9-4 中的代码不管 File::open 是因为什么原因失败都会 panic!。我们真正希望的是对不同的错误原因采取不同的行为:如果 File::open 因为文件不存在而失败,我们希望创建这个文件并返回新文件的句柄。如果 File::open 因为任何其他原因失败,例如没有打开文件的权限,我们仍然希望像示例 9-4 那样 panic!。让我们看看示例 9-5,其中 match 增加了另一个分支:

文件名: src/main.rs

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)
            }
        },
    };
}

示例 9-5:使用不同的方式处理不同类型的错误

File::open 返回的 Err 成员中的值类型 io::Error,它是一个标准库中提供的结构体。这个结构体有一个返回 io::ErrorKind 值的 kind 方法可供调用。io::ErrorKind 是一个标准库提供的枚举,它的成员对应 io 操作可能导致的不同错误类型。我们感兴趣的成员是 ErrorKind::NotFound,它代表尝试打开的文件并不存在。这样,match 就匹配完 f 了,不过对于 error.kind() 还有一个内层 match

我们希望在内层 match 中检查的条件是 error.kind() 的返回值是否为 ErrorKindNotFound 成员。如果是,则尝试通过 File::create 创建文件。然而因为 File::create 也可能会失败,还需要增加一个内层 match 语句。当文件不能被打开,会打印出一个不同的错误信息。外层 match 的最后一个分支保持不变,这样对任何除了文件不存在的错误会使程序 panic。

不同于使用 matchResult<T, E>

这里有好多 matchmatch 确实很强大,不过也非常的基础。第十三章我们会介绍闭包(closure),这可以用于很多 Result<T, E> 上定义的方法。在处理代码中的 Result<T, E> 值时这些方法可能会更加简洁。

例如,这是另一个编写与示例 9-5 逻辑相同但是使用闭包和 unwrap_or_else 方法的例子:

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!("Problem creating the file: {:?}", error);
            })
        } else {
            panic!("Problem opening the file: {:?}", error);
        }
    });
}

虽然这段代码有着如示例 9-5 一样的行为,但并没有包含任何 match 表达式且更容易阅读。在阅读完第十三章后再回到这个例子,并查看标准库文档 unwrap_or_else 方法都做了什么操作。在处理错误时,还有很多这类方法可以消除大量嵌套的 match 表达式。

失败时 panic 的简写:unwrapexpect

match 能够胜任它的工作,不过它可能有点冗长并且不总是能很好的表明其意图。Result<T, E> 类型定义了很多辅助方法来处理各种情况。其中之一叫做 unwrap,它的实现就类似于示例 9-4 中的 match 语句。如果 Result 值是成员 Okunwrap 会返回 Ok 中的值。如果 Result 是成员 Errunwrap 会为我们调用 panic!。这里是一个实践 unwrap 的例子:

文件名: src/main.rs

use std::fs::File;

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

如果调用这段代码时不存在 hello.txt 文件,我们将会看到一个 unwrap 调用 panic! 时提供的错误信息:

thread 'main' panicked at 'called `Result::unwrap()` on an `Err` value: Error {
repr: Os { code: 2, message: "No such file or directory" } }',
src/libcore/result.rs:906:4

还有另一个类似于 unwrap 的方法它还允许我们选择 panic! 的错误信息:expect。使用 expect 而不是 unwrap 并提供一个好的错误信息可以表明你的意图并更易于追踪 panic 的根源。expect 的语法看起来像这样:

文件名: src/main.rs

use std::fs::File;

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

expectunwrap 的使用方式一样:返回文件句柄或调用 panic! 宏。expect 在调用 panic! 时使用的错误信息将是我们传递给 expect 的参数,而不像 unwrap 那样使用默认的 panic! 信息。它看起来像这样:

thread 'main' panicked at 'Failed to open hello.txt: Error { repr: Os { code:
2, message: "No such file or directory" } }', src/libcore/result.rs:906:4

因为这个错误信息以我们指定的文本开始,Failed to open hello.txt,将会更容易找到代码中的错误信息来自何处。如果在多处使用 unwrap,则需要花更多的时间来分析到底是哪一个 unwrap 造成了 panic,因为所有的 unwrap 调用都打印相同的信息。

传播错误

当编写一个其实现会调用一些可能会失败的操作的函数时,除了在这个函数中处理错误外,还可以选择让调用者知道这个错误并决定该如何处理。这被称为 传播propagating)错误,这样能更好的控制代码调用,因为比起你代码所拥有的上下文,调用者可能拥有更多信息或逻辑来决定应该如何处理错误。

例如,示例 9-6 展示了一个从文件中读取用户名的函数。如果文件不存在或不能读取,这个函数会将这些错误返回给调用它的代码:

文件名: src/main.rs


#![allow(unused)]
fn main() {
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),
    }
}
}

示例 9-6:一个函数使用 match 将错误返回给代码调用者

首先让我们看看函数的返回值:Result<String, io::Error>。这意味着函数返回一个 Result<T, E> 类型的值,其中泛型参数 T 的具体类型是 String,而 E 的具体类型是 io::Error。如果这个函数没有出任何错误成功返回,函数的调用者会收到一个包含 StringOk 值 —— 函数从文件中读取到的用户名。如果函数遇到任何错误,函数的调用者会收到一个 Err 值,它储存了一个包含更多这个问题相关信息的 io::Error 实例。这里选择 io::Error 作为函数的返回值是因为它正好是函数体中那两个可能会失败的操作的错误返回值:File::open 函数和 read_to_string 方法。

函数体以 File::open 函数开头。接着使用 match 处理返回值 Result,类似于示例 9-4 中的 match,如果 File::open 成功了,模式中变量 file 中的文件句柄会变成可变变量 f 的值同时函数继续。Err 的情况下,不再调用 panic!,而是使用 return 关键字提早返回整个函数并将 File::open 返回的模式中变量 e 中的错误值作为函数的错误返回值传递给调用者。

所以 f 中有了一个文件句柄,函数接着在变量 s 中创建了一个新 String 并调用文件句柄 fread_to_string 方法来将文件的内容读取到 s 中。read_to_string 方法也返回一个 Result 因为它也可能会失败:哪怕是 File::open 已经成功了。所以我们需要另一个 match 来处理这个 Result:如果 read_to_string 成功了,那么这个函数就成功了,并返回文件中的用户名,它现在位于被封装进 Oks 中。如果read_to_string 失败了,则像之前处理 File::open 的返回值的 match 那样返回错误值。不过并不需要显式的调用 return,因为这是函数的最后一个表达式。

调用这个函数的代码最终会得到一个包含用户名的 Ok 值,或者一个包含 io::ErrorErr 值。我们无从得知调用者会如何处理这些值。例如,如果他们得到了一个 Err 值,他们可能会选择 panic! 并使程序崩溃、使用一个默认的用户名或者从文件之外的地方寻找用户名。我们没有足够的信息知晓调用者具体会如何尝试,所以将所有的成功或失败信息向上传播,让他们选择合适的处理方法。

这种传播错误的模式在 Rust 是如此的常见,以至于 Rust 提供了 ? 问号运算符来使其更易于处理。

传播错误的简写:? 运算符

示例 9-7 展示了一个 read_username_from_file 的实现,它实现了与示例 9-6 中的代码相同的功能,不过这个实现使用了 ? 运算符:

文件名: src/main.rs


#![allow(unused)]
fn main() {
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)
}
}

示例 9-7:一个使用 ? 运算符向调用者返回错误的函数

Result 值之后的 ? 被定义为与示例 9-6 中定义的处理 Result 值的 match 表达式有着完全相同的工作方式。如果 Result 的值是 Ok,这个表达式将会返回 Ok 中的值而程序将继续执行。如果值是 ErrErr 中的值将作为整个函数的返回值,就好像使用了 return 关键字一样,这样错误值就被传播给了调用者。

示例 9-6 中的 match 表达式与问号运算符所做的有一点不同:? 运算符所使用的错误值被传递给了 from 函数,它定义于标准库的 From trait 中,其用来将错误从一种类型转换为另一种类型。当 ? 运算符调用 from 函数时,收到的错误类型被转换为由当前函数返回类型所指定的错误类型。这在当函数返回单个错误类型来代表所有可能失败的方式时很有用,即使其可能会因很多种原因失败。只要每一个错误类型都实现了 from 函数来定义如何将自身转换为返回的错误类型,? 运算符会自动处理这些转换。

在示例 9-7 的上下文中,File::open 调用结尾的 ? 将会把 Ok 中的值返回给变量 f。如果出现了错误,? 运算符会提早返回整个函数并将一些 Err 值传播给调用者。同理也适用于 read_to_string 调用结尾的 ?

? 运算符消除了大量样板代码并使得函数的实现更简单。我们甚至可以在 ? 之后直接使用链式方法调用来进一步缩短代码,如示例 9-8 所示:

文件名: src/main.rs


#![allow(unused)]
fn main() {
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)
}
}

示例 9-8:问号运算符之后的链式方法调用

s 中创建新的 String 被放到了函数开头;这一部分没有变化。我们对 File::open("hello.txt")? 的结果直接链式调用了 read_to_string,而不再创建变量 f。仍然需要 read_to_string 调用结尾的 ?,而且当 File::openread_to_string 都成功没有失败时返回包含用户名 sOk 值。其功能再一次与示例 9-6 和示例 9-7 保持一致,不过这是一个与众不同且更符合工程学(ergonomic)的写法。

说到编写这个函数的不同方法,甚至还有一个更短的写法:

文件名: src/main.rs


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::fs;
use std::io;

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

示例 9-9: 使用 fs::read_to_string

将文件读取到一个字符串是相当常见的操作,所以 Rust 提供了名为 fs::read_to_string 的函数,它会打开文件、新建一个 String、读取文件的内容,并将内容放入 String,接着返回它。当然,这样做就没有展示所有这些错误处理的机会了,所以我们最初就选择了艰苦的道路。

哪里可以使用 ? 运算符

? 运算符只能被用于返回值与 ? 作用的值相兼容的函数。因为 ? 运算符被定义为从函数中提早返回一个值,这与示例 9-6 中的 match 表达式有着完全相同的工作方式。示例 9-6 中 match 作用于一个 Result 值,提早返回的分支返回了一个 Err(e) 值。函数的返回值必须是 Result 才能与这个 return 相兼容。

在示例 9-10 中,让我们看看在返回值不兼容的 main 函数中使用 ? 运算符会得到什么错误:

use std::fs::File;

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

示例 9-10: 尝试在返回 ()main 函数中使用 ? 的代码不能编译

这段代码打开一个文件,这可能会失败。? 运算符作用于 File::open 返回的 Result 值,不过 main 函数的返回类型是 () 而不是 Result。当编译这些代码,会得到如下错误信息:

$ cargo run
   Compiling error-handling v0.1.0 (file:///projects/error-handling)
error[E0277]: the `?` operator can only be used in a function that returns `Result` or `Option` (or another type that implements `FromResidual`)
 --> src/main.rs:4:36
  |
3 | / fn main() {
4 | |     let f = File::open("hello.txt")?;
  | |                                    ^ cannot use the `?` operator in a function that returns `()`
5 | | }
  | |_- this function should return `Result` or `Option` to accept `?`
  |
  = help: the trait `FromResidual<Result<Infallible, std::io::Error>>` is not implemented for `()`

For more information about this error, try `rustc --explain E0277`.
error: could not compile `error-handling` due to previous error

这个错误指出只能在返回 Result 或者其它实现了 FromResidual 的类型的函数中使用 ? 运算符。为了修复这个错误,有两个选择。一个是,如果没有限制的话将函数的返回值改为 Result<T, E>。另一个是使用 matchResult<T, E> 的方法中合适的一个来处理 Result<T, E>

错误信息也提到 ? 也可用于 Option<T> 值。如同对 Result 使用 ? 一样,只能在返回 Option 的函数中对 Option 使用 ?。在 Option<T> 上调用 ? 运算符的行为与 Result<T, E> 类似:如果值是 None,此时 None 会从函数中提前返回。如果值是 SomeSome 中的值作为表达式的返回值同时函数继续。示例 9-11 中有一个从给定文本中返回第一行最后一个字符的函数的例子:

fn last_char_of_first_line(text: &str) -> Option<char> {
    text.lines().next()?.chars().last()
}

fn main() {
    assert_eq!(
        last_char_of_first_line("Hello, world\nHow are you today?"),
        Some('d')
    );

    assert_eq!(last_char_of_first_line(""), None);
    assert_eq!(last_char_of_first_line("\nhi"), None);
}

示例 9-11: 在 Option<T> 值上使用 ? 运算符

这个函数返回 Option<char> 因为它可能会在这个位置找到一个字符,也可能没有字符。这段代码获取 text 字符串 slice 作为参数并调用其 lines 方法,这会返回一个字符串中每一行的迭代器。因为函数希望检查第一行,所以调用了迭代器 next 来获取迭代器中第一个值。如果 text 是空字符串,next 调用会返回 None,此时我们可以使用 ? 来停止并从 last_char_of_first_line 返回 None。如果 text 不是空字符串,next 会返回一个包含 text 中第一行的字符串 slice 的 Some 值。

? 会提取这个字符串 slice,然后可以在字符串 slice 上调用 chars 来获取字符的迭代器。我们感兴趣的是第一行的最后一个字符,所以可以调用 last 来返回迭代器的最后一项。这是一个 Option,因为有可能第一行是一个空字符串,例如 text 以一个空行开头而后面的行有文本,像是 "\nhi"。不过,如果第一行有最后一个字符,它会返回在一个 Some 成员中。? 运算符作用于其中给了我们一个简介的表达这种逻辑的方式。如果我们不能在 Option 上使用 ? 运算符,则不得不使用更多的方法调用或者 match 表达式来实现这些逻辑。

注意你可以在返回 Result 的函数中对 Result 使用 ? 运算符,可以在返回 Option 的函数中对 Option 使用 ? 运算符,但是不可以混合搭配。? 运算符不会自动将 Result 转化为 Option,反之亦然;在这些情况下,可以使用类似 Resultok 方法或者 Optionok_or 方法来显式转换。

目前为止,我们所使用的所有 main 函数都返回 ()main 函数是特殊的因为它是可执行程序的入口点和退出点,为了使程序能正常工作,其可以返回的类型是有限制的。

幸运的是 main 函数也可以返回 Result<(), E>, 示例 9-12 中的代码来自示例 9-10 不过修改了 main 的返回值为 Result<(), Box<dyn Error>> 并在结尾增加了一个 Ok(()) 作为返回值。这段代码可以编译:

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

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

    Ok(())
}

示例 9-12: 修改 main 返回 Result<(), E> 允许对 Result 值使用 ? 运算符

Box<dyn Error> 类型是一个 trait 对象trait object)第十七章 “为使用不同类型的值而设计的 trait 对象” 部分会做介绍。目前可以将 Box<dyn Error> 理解为 “任何类型的错误”。在返回 Box<dyn Error> 错误类型 main 函数中对 Result 使用 ? 是允许的,因为它允许任何 Err 值提前返回。

main 函数返回 Result<(), E>,如果 main 返回 Ok(()) 可执行程序会以 0 值退出,而如果 main 返回 Err 值则会以非零值退出;成功退出的程序会返回整数 0,运行错误的程序会返回非 0 的整数。Rust 也会从二进制程序中返回与这个惯例相兼容的整数。

main 函数也可以返回任何实现了 std::process::Termination trait 的类型。截至本书编写时,Termination trait 是一个不稳定功能(unstable feature),只能用于 Nightly Rust 中,所以你不能在 稳定版 Rust(Stable Rust)中用自己的类型去实现,不过有朝一日应该可以!

现在我们讨论过了调用 panic! 或返回 Result 的细节,是时候回到他们各自适合哪些场景的话题了。