C++如何优雅的错误处理

使用expected进行错误处理

C++ 中提供了很多中方式进行错误处理。无论是通过抛异常还是通过错误码，标准库都提供相应的调用。

通过 try catch 以抛出异常的方式进行处理，这种方式很多人会觉得看起来可读性很差（包括我），并且由于缺少异常规约（某些异常必须捕获），容易出现 bug，而且异常的传递很多时候可能伴随动态分配内存，这是一笔不小的开销。
通过 error_code 作为返回值判断，这种方式虽然看似简单易用，但是由于 C++ 中并未对 error_code 作过多的规范，使用起来并不方便，很多时候还是倾向于自定义一些枚举作为自己的 error_code，但是由于缺少多返回值的语法（当然如果C++版本比较高可用使用tuple以及解构的语法实现），如果把错误码作为返回值，那么原本的数据返回就只能函数参数传递引用的形式返回了。当然，如果不考虑函数返回值的具体错误信息，可以使用 C++17 的 optional 。

由于 optional 无法包含具体的错误信息，expected 横空出世，在 C++23 开始纳入标准。如果你的C++版本较低，可以使用第三方开源的 expected 库：github.com/TartanLlama…

关于 C++23 中的新特性，包括 expected 库的使用，大家可以观看 CppCon：How C++23 Changes the Way We Write Code

下面我会以一个例子把第三方库中的 expected 库的使用方式介绍给大家。

expected 使用实例

由于该第三方库是 head-only 的，所以你只需要进到GitHub仓库把对应的头文件复制过来，便可引入使用。

下面是示例代码，样例是 cppreference 中的。

#include "expected.h"
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>

enum class parse_error
{
    invalid_input,
    overflow
};

tl::expected<double, parse_error> parse_number(std::string_view& str)
{
    const char* begin = str.data();
    char* end;
    double retval = std::strtod(begin, &end);

    if (begin == end)
        return tl::unexpected(parse_error::invalid_input);
    else if (std::isinf(retval))
        return tl::unexpected(parse_error::overflow);

    str.remove_prefix(end - begin);
    return retval;
}

int main()
{
    auto process = [](std::string_view str) {
        std::cout << "str: " << std::quoted(str) << ", ";
        if (const auto num = parse_number(str); num)
        {
            std::cout << "value: " << *num << '\n';
            // If num did not have a value, dereferencing num
            // would cause an undefined behavior, and
            // num.value() would throw std::bad_expected_access.
            // num.value_or(123) uses specified default value 123.
        }
        else if (num.error() == parse_error::invalid_input)
        {
            std::cout << "error: invalid input\n";
        }
        else if (num.error() == parse_error::overflow)
        {
            std::cout << "error: overflow\n";
        }
        else
        {
            std::cout << "unexpected!\n";// or invoke std::unreachable();
        }
    };

    for (auto src : {"42", "42abc", "meow", "inf"})
        process(src);
}

上面的代码如果想要跑通，情确保C++版本至少是C++17，因为其中用到了 string_view 以及更智能的自动类型推导（如果低于这个帮会导致unexpected需要指定明确的error类型）。

函数式的接口

and_then：传入一个回调，在没有错误的时候调用，该回调的返回值是新的 expected 值（可以控制err）。如果有错误返回原 expected 值。
or_else：传入一个回调，在有错误的时候调用，该回调的返回值是新的 expected 值（可以控制err），并且回调的参数是对应的错误类型。如果没有错误返回原 expected 值。
transform/map：transform 是C++23标准中规定的接口，而该第三方库作者又实现了一个名为map的接口，这两者效果是一致的。传入一个回调，在没有错误的时候调用，回调的参数和返回值都不牵扯 expected 值，只是作值的变换，所以无法控制新的 expected 的 err 值。如果有错误则返回原 expected 值。
transform_error/map_error：同上，但回调的调用时机和参数于 or_else 相同，但是需要注意的是，回调的返回值并不具备任何效用，也就是说如果 transform_error 中的回调被调用，那么返回的仍然是原本包含错误信息的 expected 值。

简单示例如下：

#include "expected.h"
#include <iostream>
#include <string>

enum class parse_error
{
    invalid_input,
    overflow
};

tl::expected<double, parse_error> parse_number(std::string_view& str)
{
    const char* begin = str.data();
    char* end;
    double retval = std::strtod(begin, &end);

    if (begin == end)
        return tl::unexpected(parse_error::invalid_input);
    else if (std::isinf(retval))
        return tl::unexpected(parse_error::overflow);

    str.remove_prefix(end - begin);
    return retval;
}

int main()
{
    auto sv = std::string_view{"0"};
    auto result = parse_number(sv)
                      .and_then([](double x) {
                          return tl::expected<double, parse_error>(x + 1);
                      })
                      .map([](double x) {
                          return x + 1;
                      })
                      .transform([](double x) {
                          return x + 1;
                      });
    if (result)
        std::cout << *result << "\n";
    auto result2 = parse_number(sv)
                       .and_then([](double x) {
                           //自己构造了一个错误
                           tl::expected<double, parse_error> ret = tl::unexpected<parse_error>(parse_error::invalid_input);
                           return ret;
                       })
                       .or_else([](parse_error err) {
                           if (err == parse_error::invalid_input)
                           {
                               std::cout << "invalid error\n";
                           }
                           //自己构造了一个错误
                           tl::expected<double, parse_error> ret = tl::unexpected<parse_error>(parse_error::overflow);
                           return ret;
                       })
                       .transform_error([](parse_error err) {
                           if (err == parse_error::overflow)
                           {
                               std::cout << "overflow error\n";
                           }
                           return 32432.4324;
                       }).map([](double x){
                           return x+1;
                       });
    if (result2)
    {
        std::cout << *result2;
    }
}