Rust错误处理

Rust的错误处理机制和其他语言有很大的不同。

在C++、C#、Java、Javascript、Python等语言中,通常使用throw抛出异常或者返回成功的值。外部调用的地方使用try/catch进行捕获,除了C++没有finally关键字外,C#、Python、Java、Javascript等语言都有基本一致的异常处理逻辑。像Java有三类异常:不可恢复的Error(如OutOfMemoryError、StackOverflowError)、受检异常(如IOException)、运行时异常(如NullPointerException)。特别是运行时异常由于隐式传递,运行在线上服务器经常出现令人头疼的问题。

C语言没有直接提供错误处理机制,通常返回-1NULL以及全局错误码errno来做错误处理,可读性非常差。

这些语言还支持返回null,javascript甚至还有一个undefined,这导致大量的空指针异常。编程习惯好的可能会用运行时断言,但是性能上会有所损耗。

golang虽然不使用throw异常机制,但是函数得有两个返回值,而且还得用if err != nil语句判断是否存在错误,使用体验非常不好。

Rust的异常处理独辟蹊径用ResultOption这两个枚举来解决这些问题。

Option

先从简单的Option说起。

Tony Hoare曾道歉说空指针异常大约给企业已造成数十亿美元的经济损失。

在很多现代化编程语言中,为了避免空指针的问题,都提供了Option的功能。C++17提供了std::optional,Java8也提供了java.util.Optional

Rust也有一个Option枚举来实现同样的功能。

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fn divide(numerator: f64, denominator: f64) -> Option<f64> {
if denominator == 0.0 {
None
} else {
Some(numerator / denominator)
}
}

fn main() {
// 函数的返回值是一个Option
let result = divide(2.0, 3.0);

// 对Option进行匹配,取出里面包含的值
match result {
// The division was valid
Some(x) => println!("Result: {x}"),
// The division was invalid
None => println!("Cannot divide by 0"),
}
}

Option可以用?操作符进行简写,比如下面的函数:

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fn add_last_numbers(stack: &mut Vec<i32>) -> Option<i32> {
let a = stack.pop();
let b = stack.pop();

match (a, b) {
(Some(x), Some(y)) => Some(x + y),
_ => None,
}
}

可以简写为:

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fn add_last_numbers(stack: &mut Vec<i32>) -> Option<i32> {
Some(stack.pop()? + stack.pop()?)
}

代码立马清爽了很多。

注意如果必须处理OptionNone的情况,还是要编写判断逻辑。

Result枚举

Result用于返回结果和传递错误,它是个枚举,包含两种状态:

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enum Result<T, E> {
Ok(T), // 表示调用成功的返回值
Err(E), // 表示调用出错的错误值
}

Rust官方文档中就有一个用例:

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#[derive(Debug)]
enum Version { Version1, Version2 }

fn parse_version(header: &[u8]) -> Result<Version, &'static str> {
match header.get(0) {
None => Err("invalid header length"),
Some(&1) => Ok(Version::Version1),
Some(&2) => Ok(Version::Version2),
Some(_) => Err("invalid version"),
}
}

fn main(){
let version = parse_version(&[1, 2, 3, 4]);
match version {
Ok(v) => println!("working with version: {v:?}"),
Err(e) => println!("error parsing header: {e:?}"),
}
}

针对Result使用match语句进行条件匹配。

忽略错误

上面的例子对于初学者可能有点懵逼,先从最简单的场景开始,我们可以忽略错误。这听起来很不靠谱,但确实有几个合法的用例:

  • 我们正在对代码进行原型设计,不想花时间在错误处理上。
  • 我们确信不会发生错误。
  • 假设我们正在读取一个我们非常确定会存在的文件。

假设我们正在读取一个我们非常确定会存在的文件:

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use std::fs;

fn main() {
let content = fs::read_to_string("./Cargo.toml").unwrap();
println!("{}", content)
}

尽管我们知道该文件一定会存在,但是编译器无法知道这一点。因此,我们可以用unwrap告诉编译器信任我们并返回其中的值。

如果read_to_string函数返回Ok()值,则将获取Ok变量的内容并将其分配给content变量。如果它返回错误,它将“panic”。Panic是不可恢复的错误,要么终止程序,要么退出当前线程。

请注意,unwrap在相当多的 Rust 示例中使用它来跳过错误处理。这主要是为了方便起见,在实际代码中不应该使用。

终止程序

某些错误无法处理或恢复。在这些情况下,最好通过终止程序来快速失败。

在上面的例子中:我们正在读取一个我们肯定会存在的文件。如果对于这个程序来说,该文件绝对重要,没有它就无法正常工作。如果由于某种原因,此文件不存在,最好终止该程序。

可以像上面unwrap一样用expect: 这两个方法效果相同,区别在于expect可以添加额外的错误信息。

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use std::fs;

fn main() {
let content = fs::read_to_string("./Cargo.toml").expect("Can't read Cargo.toml");
println!("{}", content)
}

可以查看官方文档中!panic的介绍。

使用缺省值

在某些情况下,您可以通过提供默认值来处理错误。

例如,假设我们正在编写一个服务器,它侦听的端口可以使用PORT环境变量进行配置。如果未设置PORT环境变量,则访问该值将导致错误。但是我们可以通过提供默认缺省值来轻松处理它。

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use std::env;

fn main() {
let port = env::var("PORT").unwrap_or("3000".to_string());
println!("{}", port);
}

unwrap_or函数允许我们提供默认值。

还有unwrap_or_else, unwrap_or_default用另外的方法也可以提供默认值。

向上传递错误

当没有足够的上下文来处理错误时,可以冒泡(传递)错误到调用方函数。

下面是一个使用 Web 服务获取当前年份的人为示例:

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use std::collections::HashMap;

fn main() {
match get_current_date() {
Ok(date) => println!("We've time travelled to {}!!", date),
Err(e) => eprintln!("Oh noes, we don't know which era we're in! :( \n {}", e),
}
}

fn get_current_date() -> Result<String, reqwest::Error> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
let result = reqwest::blocking::get(url);

let response = match result {
Ok(res) => res,
Err(err) => return Err(err),
};

let body = response.json::<HashMap<String, i32>>();

let json = match body {
Ok(json) => json,
Err(err) => return Err(err),
};

let date = json["years"].to_string();

Ok(date)
}

get_current_date中调用了两个函数:get发送请求和json解析响应体。

由于没有足够的上下文去处理错误,get_current_date直接把传递给了main函数。

match语句匹配内部错误,导致代码噪音太多,Rust提供了?操作符的语法糖来解决这个问题,重写的代码如下:

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use std::collections::HashMap;

fn main() {
match get_current_date() {
Ok(date) => println!("We've time travelled to {}!!", date),
Err(e) => eprintln!("Oh noes, we don't know which era we're in! :( \n {}", e),
}
}

fn get_current_date() -> Result<String, reqwest::Error> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
let res = reqwest::blocking::get(url)?.json::<HashMap<String, i32>>()?;
let date = res["years"].to_string();

Ok(date)
}

可以看到代码干净了很多。

?这个操作符和unwrap很相似,但是它不会panic,而是把错误传递给上一级调用函数。

不过需要注意?只能用在返回值为ResultOption类型的函数上。

向上传递多种类型的错误

在上面的例子中,getjson返回的都是reqwest::Error类型的错误,我们可以用?操作符进行传递。但是如果我们调用了另外的函数返回不同类型的错误会怎么样呢?

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+ use chrono::NaiveDate;
use std::collections::HashMap;

fn main() {
match get_current_date() {
Ok(date) => println!("We've time travelled to {}!!", date),
Err(e) => eprintln!("Oh noes, we don't know which era we're in! :( \n {}", e),
}
}

fn get_current_date() -> Result<String, reqwest::Error> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
let res = reqwest::blocking::get(url)?.json::<HashMap<String, i32>>()?;
- let date = res["years"].to_string();
+ let formatted_date = format!("{}-{}-{}", res["years"], res["months"] + 1, res["date"]);
+ let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")?;
+ let date = parsed_date.format("%Y %B %d").to_string();

Ok(date)
}

上面经过修改后的代码将会编译失败,因为调用parse_from_str返回的是chrono::format::ParseError而不是reqwest::Error

我们可以对这个错误进行包装:

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  use chrono::NaiveDate;
use std::collections::HashMap;

fn main() {
match get_current_date() {
Ok(date) => println!("We've time travelled to {}!!", date),
Err(e) => eprintln!("Oh noes, we don't know which era we're in! :( \n {}", e),
}
}

- fn get_current_date() -> Result<String, reqwest::Error> {
+ fn get_current_date() -> Result<String, Box<dyn std::error::Error>> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
let res = reqwest::blocking::get(url)?.json::<HashMap<String, i32>>()?;

let formatted_date = format!("{}-{}-{}", res["years"], res["months"] + 1, res["date"]);
let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")?;
let date = parsed_date.format("%Y %B %d").to_string();

Ok(date)
}

当我们想处理多种错误时,使用Box<dyn std::error::Error>作为错误类型会非常方便。

  • 这里的std::error::Error是一个trait;
  • 这里的dyn std::error::Error是Rust中的动态多态,代表的是实现了std::error::ErrorTrait object,静态多态是编译时多态,动态多态是运行时多态,更细节的内容这里就不展开讲了;
  • Box代表的是指向堆中的数据。

但是Result<String, Box<dyn std::error::Error>>这么长的返回值,代码非常不好看。

目前有anyhoweyrefailure等库可以很好的解决这个问题。这个待会儿再讲。

捕获Boxed错误

到目前为止,在main函数中我们只打印了错误,但没有处理它们。如果我们想处理Box<dyn std::error::Error>错误并从中恢复,我们需要对它们进行“downcast”:

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use chrono::NaiveDate;
use std::collections::HashMap;

fn main() {
match get_current_date() {
Ok(date) => println!("We've time travelled to {}!!", date),
- Err(e) => eprintln!("Oh noes, we don't know which era we're in! :( \n {}", e),
+ Err(e) => {
+ eprintln!("Oh noes, we don't know which era we're in! :(");
+ if let Some(err) = e.downcast_ref::<reqwest::Error>() {
+ eprintln!("Request Error: {}", err)
+ } else if let Some(err) = e.downcast_ref::<chrono::format::ParseError>() {
+ eprintln!("Parse Error: {}", err)
+ }
+ }
}
}

fn get_current_date() -> Result<String, Box<dyn std::error::Error>> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
let res = reqwest::blocking::get(url)?.json::<HashMap<String, i32>>()?;

let formatted_date = format!("{}-{}-{}", res["years"], res["months"] + 1, res["date"]);
let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")?;
let date = parsed_date.format("%Y %B %d").to_string();

Ok(date)
}

请注意,我们需要了解get_current_date实现细节(内部的不同错误)才能在main中对它们进行“downcast”。

可以参考downcastdowncast_mut

应用(Application) vs 库(Library)

如前所述,Box<dyn std::error::Error>的缺点是,如果我们想处理潜在的错误,我们需要了解实现细节。当我们返回Box<dyn std::error::Error>时,具体类型信息将被擦除了。

为了以不同的方式处理不同的错误,我们需要将它们转换为具体类型,并且这种转换可能会在运行时失败。

然而,在没有上下文的情况下,说某事是“缺点”并不是很有用。一个好的经验法则是考虑一下你正在编写的代码是“应用程序”还是“库”:

应用

  • 你正在编写的代码将由终端用户使用
  • 应用程序代码产生的大多数错误不会被处理,而是记录或报告给用户
  • 使用Box<dyn std::error::Error>是可以的

  • 您正在编写的代码将被其他代码使用。“库”可能是开源crate、内部库等
  • 错误是库 API 的一部分,因此您的使用者要知道会出现哪些错误并从中恢复
  • 库中的错误通常由使用者处理,因此需要对其进行结构化且易于match错误
  • 如果Box<dyn std::error::Error>,则使用者需要注意代码、依赖项等产生的错误
  • 我们可以返回自定义错误,而不是Box<dyn std::error::Error>

自定义错误

对于库代码,我们可以将所有错误转换为我们自定义的错误并传递它们而不是使用Box<dyn std::error::Error>

在上面的例子中,有两个错误reqwest::Errorchrono::format::ParseError,我们可以把他们分别转换为MyCustomError::HttpErrorMyCustomError::ParseError

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// error.rs

pub enum MyCustomError {
HttpError,
ParseError,
}

Errortrait继承自DebugDisplay两个trait,因此我们还要实现DebugDisplay这两个trait:

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// error.rs

use std::fmt;

#[derive(Debug)]
pub enum MyCustomError {
HttpError,
ParseError,
}

impl std::error::Error for MyCustomError {}

impl fmt::Display for MyCustomError {
fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
match self {
MyCustomError::HttpError => write!(f, "HTTP Error"),
MyCustomError::ParseError => write!(f, "Parse Error"),
}
}
}

我们创建了自己的自定义错误!

这显然是一个简单的示例,因为错误变体没有包含有关错误的更多信息。但这应该足以作为创建更复杂和更现实的自定义错误的起点。

以下是流行的库中一些典型的例子:ripgrepreqwestcsvserde_json

我们也可以使用thiserrorsnafuquick-error等库来帮助我们自定义错误。

向上传递自定义错误

让我们用自定义错误来修改我们的代码:

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 // main.rs

+ mod error;

use chrono::NaiveDate;
+ use error::MyCustomError;
use std::collections::HashMap;

fn main() {
// skipped, will get back later
}

- fn get_current_date() -> Result<String, Box<dyn std::error::Error>> {
+ fn get_current_date() -> Result<String, MyCustomError> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
- let res = reqwest::blocking::get(url)?.json::<HashMap<String, i32>>()?;
+ let res = reqwest::blocking::get(url)
+ .map_err(|_| MyCustomError::HttpError)?
+ .json::<HashMap<String, i32>>()
+ .map_err(|_| MyCustomError::HttpError)?;

let formatted_date = format!("{}-{}-{}", res["years"], res["months"] + 1, res["date"]);
- let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")?;
+ let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")
+ .map_err(|_| MyCustomError::ParseError)?;
let date = parsed_date.format("%Y %B %d").to_string();

Ok(date)
}

请注意:我们用map_err将错误从一种类型转换为另一种类型。

但结果事情变得冗长了——我们的函数充斥着这些map_err调用。我们可以实现 From trait,以便在使用运算符时自动强制执行错误类型转换:

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  // error.rs

use std::fmt;

#[derive(Debug)]
pub enum MyCustomError {
HttpError,
ParseError,
}

impl std::error::Error for MyCustomError {}

impl fmt::Display for MyCustomError {
fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
match self {
MyCustomError::HttpError => write!(f, "HTTP Error"),
MyCustomError::ParseError => write!(f, "Parse Error"),
}
}
}

+ impl From<reqwest::Error> for MyCustomError {
+ fn from(_: reqwest::Error) -> Self {
+ MyCustomError::HttpError
+ }
+ }

+ impl From<chrono::format::ParseError> for MyCustomError {
+ fn from(_: chrono::format::ParseError) -> Self {
+ MyCustomError::ParseError
+ }
+ }
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  // main.rs

mod error;

use chrono::NaiveDate;
use error::MyCustomError;
use std::collections::HashMap;

fn main() {
// skipped, will get back later
}

fn get_current_date() -> Result<String, MyCustomError> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
- let res = reqwest::blocking::get(url)
- .map_err(|_| MyCustomError::HttpError)?
- .json::<HashMap<String, i32>>()
- .map_err(|_| MyCustomError::HttpError)?;
+ let res = reqwest::blocking::get(url)?.json::<HashMap<String, i32>>()?;

let formatted_date = format!("{}-{}-{}", res["years"], res["months"] + 1, res["date"]);
- let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")
- .map_err(|_| MyCustomError::ParseError)?;
+ let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")?;
let date = parsed_date.format("%Y %B %d").to_string();

Ok(date)
}

删除了代码,代码看起来更干净了!

然而,From trait不是灵丹妙药,有时我们还是需要使用map_err

在上面的示例中,我们已将类型转换从get_current_date函数内部移动到From<X> for MyCustomError实现中。当进行错误转换时,可以从原始错误对象获取所有需要的信息时,这很有效。

如果原始错误对象没有我们要的信息,我们还是需要在get_current_date里面调用map_err

匹配自定义对象

目前为止,我们还没有对main函数进行修改,在这里我们可以处理自定义错误。

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  // main.rs

mod error;

use chrono::NaiveDate;
use error::MyCustomError;
use std::collections::HashMap;

fn main() {
match get_current_date() {
Ok(date) => println!("We've time travelled to {}!!", date),
Err(e) => {
eprintln!("Oh noes, we don't know which era we're in! :(");
- if let Some(err) = e.downcast_ref::<reqwest::Error>() {
- eprintln!("Request Error: {}", err)
- } else if let Some(err) = e.downcast_ref::<chrono::format::ParseError>() {
- eprintln!("Parse Error: {}", err)
- }
+ match e {
+ MyCustomError::HttpError => eprintln!("Request Error: {}", e),
+ MyCustomError::ParseError => eprintln!("Parse Error: {}", e),
+ }
}
}
}

fn get_current_date() -> Result<String, MyCustomError> {
let url = "https://postman-echo.com/time/object";
let res = reqwest::blocking::get(url)?.json::<HashMap<String, i32>>()?;

let formatted_date = format!("{}-{}-{}", res["years"], res["months"] + 1, res["date"]);
let parsed_date = NaiveDate::parse_from_str(formatted_date.as_str(), "%Y-%m-%d")?;
let date = parsed_date.format("%Y %B %d").to_string();

Ok(date)
}

请注意,与Box<dyn std::error::Error>不同,我们实际上可以匹配MyCustomError枚举内的变体。

使用thiserror来定义错误

上面提到了几个第三方库,最推荐的就是anyhowthiserror

thiserror只是用来自定义错误的,适合用在库中;anyhow不关心错误类型,适合用在应用中。

我们用thiserror来定义错误:

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use thiserror::Error;

#[derive(Error, Debug)]
pub enum MyCustomError {
#[error("http request error")]
HttpError(#[from] reqwest::Error),
#[error(transparent)]
ParseError(#[from] chrono::format::ParseError),
}

代码确实干净了很多!我们看一下这里的几个宏的作用:

  • #[derive(Error)帮我们实现了Error
  • #[error("http request error")]帮我们实现了Displaytrait的显示内容
  • #[from] reqwest::Error帮我们实现了From<reqwest::Error>的转换逻辑
  • #[error(transparent)]表示该错误只是作为其他错误的容器,它的错误消息将直接代理为“源”错误

报错的上下文

有了thiserror定义错误就非常容易了,但是我们把错误往上抛,意味着丢弃了大部分错误的上下文,也会给时候定位问题带来不便。

比如上面的get_current_date例子中,如果调用了多个get发送请求,其中一个报了IOError,我们最终拿到的就只有一个I/O error的报错信息,却不知道到底是哪个请求报的错。

Rust的错误是不包含函数调用栈信息的。说到这,就得先说说CPU是如何进行函数调用的了。

CPU调度应用程序时都会有函数调用栈。每调用一个函数CPU就会把参数push进调用栈,函数内部的变量默认也是从栈上分配,每个函数所使用的这块内存区域就叫做一个”栈帧”(StackFrame),函数调用返回时CPU的堆栈寄存器就会回到上一次的栈地址,意味着这个函数的栈帧内存就被回收了,下一次别的什么函数调用时,这块内存又会作为它的栈帧。这也是为什么栈上分配回收内存速度会比堆上要快,因为这是CPU默认的指令操作,不需要操作系统干预;堆上分配内存则需要操作系统找到一块大小匹配的空闲内存,再把地址给你,这个过程就慢很多,特别是当内存碎片化严重时,操作系统像GC算法一样清理一块连续的内存给你,就更慢了。

image

使用try/catch处理异常的语言在向上抛出异常时,调用栈会随着错误记录下来。比如Java的报错时打印的调用栈如下:

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java.lang.NullPointerException
at MyClass.mash(MyClass.java:9)
at MyClass.crunch(MyClass.java:6)
at MyClass.main(MyClass.java:3)

Java在1.4后还提供了StackTraceElement让开发者读取栈帧信息。但是这些函数调用的栈信息也要消耗内存。

Rust提供了两个环境变量RUST_BACKTRACERUST_LIB_BACKTRACE来控制是否去捕获堆栈信息,并在1.65版中提供了std::backtrace::Backtrace来查看调用栈。由于这个API能操作的很有限,rust另外提供backtrace-rs来增强backtrace的功能。

那怎么让Rust往上抛的Error包含调用堆栈呢?这就要说到anyhow这个库了。

使用anyhow处理错误

我们可以使用anyhow提供的Result来作为函数返回值。anyhow在Result中重新定义了Error,并将Backtrace包含其中,所有实现了std::error::Errortrait的错误都能转换为anyhow::Error

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pub type Result<T, E = Error> = core::result::Result<T, E>;

#[repr(transparent)]
pub struct Error {
inner: Own<ErrorImpl>,
}

#[repr(C)]
pub(crate) struct ErrorImpl<E = ()> {
vtable: &'static ErrorVTable,
backtrace: Option<Backtrace>,
// NOTE: Don't use directly. Use only through vtable. Erased type may have
// different alignment.
_object: E,
}

在应用中用anyhow::Result替换std::result::Result,可以让代码更简洁。

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use anyhow::Result;

fn get_cluster_info() -> Result<ClusterMap> {
let config = std::fs::read_to_string("cluster.json")?;
let map: ClusterMap = serde_json::from_str(&config)?;
Ok(map)
}

而且anyhow还扩展了ResultOption的方法,提供了contextwith_context,可以在向上抛出异常时带上更详细的上下文描述信息。

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use anyhow::{Context, Result};

fn main() -> Result<()> {
...
it.detach().context("Failed to detach the important thing")?;

let content = std::fs::read(path)
.with_context(|| format!("Failed to read instrs from {}", path))?;
...
}

其他错误处理的第三方库

anyhow+thiserror并不完美,比如我们用了某个第三方库内部有错误,anyhow并不能追踪到三方库内部的函数调用栈。我们只能获取到第三方库的错误,但是如果库的开发者错误的提示信息非常有限,那就非常蛋疼。举个例子,加入我们调用一个HTML解析库,报错说HTML格式有问题,但是错误信息没有包含具体多少行多少列格式有问题,这就提高了我们排查问题的难度。错误处理很考验第三方库开发者的水平,库太烂了,我们的使用体验就非常不好。

在github上搜索rust的error处理库或者到lib.rs找error-handling的库,排在首位的还是anyhow+thiserror。除了anyhow+thiserror还有其他的错误处理库:

snafu

snafu更像是anyhow和thiserror的组合。支持派生错误类型(包括单个结构样式,而不仅仅是枚举样式错误)的错误处理功能、用于抛出错误的宏以及使用字符串作为错误。

错误报告库

这些crates用更漂亮的方式向用户报告错误。它们对于报告输入文本(例如源代码)中的错误特别有用,比如开发解析器或编译器,这些crates在某种程度上受到 rustc 错误报告风格的启发。

eyre是 Anyhow 的一个分支,具有增强的报告功能。以下 crate 仅用于报告,并在需要时与其他错误库一起使用:

已经废弃的库

随着 Rust 错误处理的发展,许多错误处理库来来去去。以下内容在他们那个时代很有影响力,但现在有更好的选择。您可能仍然在历史文档中看到这些crates,但不建议再使用它们。

从lib.rs的统计来看,thiserror+anyhow目前还是占主导地位的。

rust语言内部也有讨论尝试落地相关的标准解决错误上下文传递的问题:

只能说Rust的错误处理还在发展中,尚未形成统一的标准。

参考资料

英文:

中文:

本作品采用 知识共享署名 4.0 国际许可协议 进行许可。

转载时请注明原文链接:https://blog.hufeifei.cn/2024/07/Rust/rust-error-handling/

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