C++ 错误处理策略：从异常到 `std::expected` 的现代演进

C++ 错误处理：一场从“惊悚片”到“文艺片”的进化

各位 C++ 码农们，晚上好！今天咱们聊聊一个老生常谈，但又常谈常新的话题：错误处理。想象一下，你辛辛苦苦写了几千行代码，信心满满地准备运行，结果屏幕突然跳出一个红色的“Segmentation fault (core dumped)”。那一刻，是不是感觉像看了场惊悚片，心脏骤停，冷汗直冒？这就是传统的错误处理方式——“失败了，就崩溃给你看！”

C++ 早期的错误处理，基本上就是靠返回值和全局错误码。函数执行成功就返回个正常值，失败了就返回个特殊值（比如 -1, NULL, 或者一个预定义的错误码）。这种方式简单粗暴，但问题也很明显：

容易忽略错误： 程序员稍不留神，忘记检查返回值，错误就悄无声息地溜走了。就像你煮了一锅粥，结果忘记关火，等到发现的时候，厨房已经变成一片狼藉。
返回值被占用： 有些函数，返回值本身就很有用，比如一个返回计算结果的函数。如果要用返回值来表示错误，就不得不牺牲返回值，或者引入额外的参数来传递错误信息，让代码变得臃肿不堪。就像你本来想用快递送一份文件，结果快递员告诉你，这个箱子还要用来装砖头，让你感觉十分无奈。
错误信息有限： 全局错误码通常是一个简单的整数，只能告诉你发生了什么类型的错误，但无法提供更详细的上下文信息，比如错误发生的位置、原因等等。就像你去医院看病，医生只告诉你“你生病了”，但不告诉你得了什么病，怎么治疗，让你一头雾水。

为了解决这些问题，C++ 引入了异常（Exception）。

异常：从天而降的“炸弹”

异常机制，简单来说，就是当程序发生错误时，抛出一个“异常对象”，然后沿着调用栈向上寻找能够处理这个异常的代码块（catch 语句）。如果找到，就执行 catch 语句中的代码，进行错误处理；如果一直找不到，程序就会崩溃。

异常的优点也很明显：

强制处理错误： 如果一个函数抛出了异常，而调用者没有捕获，程序就会崩溃。这就迫使程序员必须认真对待错误，不能视而不见。就像你家安装了烟雾报警器，一旦发生火灾，它就会发出刺耳的警报，直到你采取行动为止。
错误信息丰富： 异常对象可以携带各种各样的信息，比如错误类型、错误消息、堆栈跟踪等等，方便程序员定位和诊断问题。就像你买了一份保险，一旦发生意外，保险公司会提供详细的理赔报告，告诉你发生了什么，该如何处理。
代码更简洁： 使用异常，可以将错误处理代码从正常代码中分离出来，让代码逻辑更清晰，可读性更高。就像你把垃圾扔进垃圾桶，而不是随手乱扔，让家里更干净整洁。

但是，异常也不是万能的。它的缺点也逐渐暴露出来：

性能开销： 抛出和捕获异常，会带来一定的性能开销。虽然在正常情况下，没有异常抛出时，性能影响很小，但一旦发生异常，性能就会急剧下降。这就像你开着一辆跑车，平时跑得飞快，但一旦遇到障碍物，就必须紧急刹车，损失速度。
代码复杂度： 为了正确地使用异常，程序员需要 carefully 地设计异常处理策略，避免异常被意外地抛出或忽略。这就需要编写大量的 try-catch 语句，让代码变得复杂难懂。就像你玩一个复杂的电子游戏，需要学习大量的规则和技巧，才能顺利通关。
异常安全： 编写异常安全的代码，需要考虑各种各样的情况，确保在异常发生时，资源能够被正确地释放，数据能够保持一致。这是一项非常具有挑战性的任务，即使是经验丰富的程序员，也容易犯错。就像你走钢丝，需要小心翼翼地保持平衡，稍有不慎，就会掉下去。

因此，在 C++ 中，关于是否应该使用异常，一直存在着激烈的争论。有些人认为，异常是 C++ 中最伟大的发明之一，可以提高代码的健壮性和可维护性；另一些人则认为，异常是 C++ 中最大的败笔之一，会带来性能问题和代码复杂性。

`std::expected`：优雅的“信使”

在这样的背景下，C++17 引入了一个新的错误处理机制：std::optional。它可以用来表示一个可能存在，也可能不存在的值。这为我们提供了一种更优雅、更轻量级的错误处理方式。

但是，std::optional 只能表示“没有值”这种情况，无法携带错误信息。为了解决这个问题，C++23 引入了 std::expected。

std::expected<T, E> 可以看作是一个加强版的 std::optional。它要么包含一个类型为 T 的值，表示操作成功；要么包含一个类型为 E 的错误，表示操作失败。

std::expected 的优点如下：

明确表达意图： std::expected 明确地告诉调用者，这个函数可能会失败，并且提供了错误信息的类型。这就像你收到一封信，信封上明确地写着“重要文件”或者“垃圾邮件”，让你一目了然。
避免异常开销： std::expected 不需要抛出和捕获异常，避免了性能开销。它只是一个普通的类，可以使用普通的 C++ 语法进行操作。这就像你用自行车代替汽车，虽然速度慢了一些，但更环保、更经济。
错误信息丰富： std::expected 可以携带任意类型的错误信息，包括自定义的错误类型。这就像你收到一份详细的调查报告，里面包含了各种各样的数据和分析，让你对事件的来龙去脉一清二楚。
易于组合： std::expected 可以很容易地与其他函数组合，形成复杂的错误处理流程。这就像你用乐高积木搭建一个复杂的模型，可以随意组合各种各样的零件。

下面是一个简单的例子：

#include <expected>
#include <iostream>
#include <string>

std::expected<int, std::string> divide(int a, int b) {
  if (b == 0) {
    return std::unexpected("Division by zero");
  }
  return a / b;
}

int main() {
  auto result = divide(10, 2);
  if (result) {
    std::cout << "Result: " << *result << std::endl;
  } else {
    std::cerr << "Error: " << result.error() << std::endl;
  }

  auto result2 = divide(10, 0);
  if (result2) {
    std::cout << "Result: " << *result2 << std::endl;
  } else {
    std::cerr << "Error: " << result2.error() << std::endl;
  }
  return 0;
}

在这个例子中，divide 函数返回一个 std::expected<int, std::string> 对象。如果除数不为零，就返回计算结果；否则，就返回一个包含错误信息的 std::unexpected 对象。

在 main 函数中，我们可以使用 if (result) 来判断操作是否成功。如果成功，就访问 *result 获取计算结果；否则，就使用 result.error() 获取错误信息。

std::expected 是一种更现代、更优雅的错误处理方式。它结合了异常的优点，又避免了异常的缺点。它就像一位优雅的“信使”，能够安全、可靠地传递错误信息，让我们的代码更健壮、更易于维护。

总结：选择合适的错误处理策略

C++ 的错误处理策略，经历了从返回值到异常，再到 std::expected 的演变。每种策略都有其优缺点，适用于不同的场景。

返回值： 简单、轻量级，但容易忽略错误，错误信息有限。适用于简单的、不太可能失败的操作。
异常： 强制处理错误，错误信息丰富，但性能开销大，代码复杂度高。适用于复杂的、可能失败的操作，并且需要强制处理错误的情况。
std::expected： 明确表达意图，避免异常开销，错误信息丰富，易于组合。适用于大多数场景，特别是那些需要明确地处理错误，但又不想引入异常开销的情况。

选择哪种错误处理策略，取决于具体的项目需求和个人偏好。重要的是，要理解各种策略的优缺点，并根据实际情况做出明智的选择。

希望这篇文章能够帮助你更好地理解 C++ 的错误处理策略，并在你的项目中做出更明智的选择。记住，好的错误处理，就像给你的代码穿上一件坚固的盔甲，能够保护它免受各种各样的攻击。下次写代码的时候，不妨多花点心思在错误处理上，让你的代码更健壮、更可靠。祝你编程愉快！

C++ 错误处理：一场从“惊悚片”到“文艺片”的进化

异常：从天而降的“炸弹”

std::expected：优雅的“信使”

总结：选择合适的错误处理策略

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`std::expected`：优雅的“信使”

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