检测和处理错误

上一节介绍了新C++程序员在该语言中遇到的许多常见的语义错误。如果只是误用语言功能或代码逻辑错误，则错误可以比较简单的更正。

但程序中的大多数错误并不是由于无意中误用语言功能而发生的——相反，大多数错误是由于程序员的错误假设和/或缺乏适当的错误检测/处理而发生的。

例如，在设计用于查找学生成绩的函数中，您可能假设:

1. 被查找的学生将存在。
2. 所有学生的姓名都是唯一的。
3. 使用字母评分（而不是及格/不及格）。

如果这些假设中的任何一个都不正确怎么办？如果没有预料到这些情况，程序可能会发生故障或崩溃（通常在未来的某个时间点，在编写函数之后）。

这种假设错误通常发生在三个关键位置:

1. 当被调用函数返回时，程序员可能假设它是成功的，但其实它失败了。
2. 当程序接收到输入（来自用户或文件）时，程序员可能会假设输入的格式正确。
3. 调用函数时，程序员可能会假设传递参数在语义上是有效的，但实际上它们不是。

许多新程序员编写代码，然后只测试执行那些显而易见正确的代码路径。但其实也应该测试其它容易出错的路径。

在本课中，我们将讨论函数内部的错误处理策略（出错时该怎么办）。在后面的课程中，我们将讨论验证用户输入，然后介绍一个有用的工具来帮助记录和验证假设。

处理函数中的错误

函数可能会由于许多原因而失败——调用方可能传入了一个具有无效值的参数，或者函数体中的某些内容可能会失败。例如，如果找不到文件，则打开文件进行读取的函数可能会失败。

当这种情况发生时，您有相当多的选项可供选择。没有一个固定最好的方法来处理错误，这实际上取决于问题的性质以及问题是否可以修复。

有4种通用策略可以使用:

1. 处理函数中的错误
2. 将错误传递回调用方以处理
3. 停止程序
4. 抛出异常

处理函数中的错误

如果可能，最好的策略是从发生错误的同一函数中进行错误恢复，以便可以在不影响函数外部的任何代码的情况下更正错误。这里有两个选项:重试直到成功，或取消正在执行的操作。

如果错误是由于程序无法控制的原因而发生的，则程序可以重试，直到成功。例如，如果程序需要互联网连接，而用户已失去连接，则可以显示警告，然后使用循环定期重新检查互联网连接。或者，如果用户输入了无效的输入，程序可以要求用户重试，并循环，直到用户成功输入有效的输入。

另一种策略是忽略错误和/或取消操作。例如:

1
2
3
4
5

void printDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << static_cast<double>(x) / y;
}

在上面的例子中，如果用户为y传递了无效的值，我们就忽略打印除法运算结果的请求。这样做的主要问题是，调用方或用户无法识别出问题。在这种情况下，打印错误消息可能会有所帮助:

1
2
3
4
5
6
7

void printDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << static_cast<double>(x) / y;
    else
        std::cout << "Error: Could not divide by zero\n";
}

然而，如果调用函数期望被调用函数产生返回值或一些有用的副作用，那么忽略错误可能不是一个可选项。

将错误传回调用方

在许多情况下，错误不能在检测错误的函数中合理地处理。例如，考虑以下函数:

1
2
3
4

double doDivision(int x, int y)
{
    return static_cast<double>(x) / y;
}

如果y是0，我们应该怎么做？我们不能跳过程序逻辑，因为函数需要返回一些值。也不应该要求用户输入y的新值，因为这是一个计算函数，让用户输入的逻辑可能在其它函数中。

在这种情况下，最好的选择是将错误传递回调用方，希望调用方能够处理它。

如何才能做到这一点？

如果函数具有void返回类型，则可以将其更改为返回指示成功或失败的布尔值。例如，如果之前这样:

1
2
3
4
5
6
7

void printDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << static_cast<double>(x) / y;
    else
        std::cout << "Error: Could not divide by zero\n";
}

则可以更改为:

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12

bool printDivision(int x, int y)
{
    if (y == 0)
    {
        std::cout << "Error: could not divide by zero\n";
        return false;
    }
    
    std::cout << static_cast<double>(x) / y;

    return true;
}

这样，调用方可以检查返回值，以查看函数是否因某种原因而失败。

如果函数返回正常值，则情况会稍微复杂一些。在某些情况下，不使用完整的返回值范围。在这种情况下，可以使用通常不可能发生的返回值来指示错误。例如，考虑以下函数:

1
2
3
4
5

// x的倒数是 1/x
double reciprocal(double x)
{
    return 1.0 / x;
}

某个数x的倒数定义为1/x，一个数乘以它的倒数等于1。

然而，如果用户调用reciprocal(0)，会发生什么情况？我们得到一个除以零的错误和一个程序崩溃，所以很明显，应该防止这种情况。但这个函数必须返回一个double值，所以应该返回什么值？很明显，该函数永远不会产生0.0作为合法结果，因此可以返回0.0来指示错误情况。

1
2
3
4
5
6
7
8

// x的倒数是 1/x, if x=0，返回0.0
double reciprocal(double x)
{
    if (x == 0.0)
       return 0.0;

    return 1.0 / x;
}

然而，如果需要完整的返回值范围，则不可能使用返回值来指示错误（因为调用程序将无法区分返回值是有效值还是错误值）。

致命错误

如果错误严重到程序无法继续正常运行，则这称为不可恢复错误（也称为致命错误, fatal error）。在这种情况下，最好的做法是终止程序。如果错误点在main()函数中，最好的办法是直接return一个非零值。然而，如果深入到某个嵌套子函数中，将错误传播回main()则不太可能。在这种情况下，可以使用退出语句（ 例如std::exit() ）。

例如:

1
2
3
4
5
6
7
8
9

double doDivision(int x, int y)
{
    if (y == 0)
    {
        std::cout << "Error: Could not divide by zero\n";
        std::exit(1);
    }
    return static_cast<double>(x) / y;
}

Exceptions (异常)

由于将错误从函数返回给调用者是复杂的（许多不同的方法都会导致不一致，而不一致会导致错误），C++提供了一种完全独立的方法来将错误传递回调用者: exceptions。

基本思想是，当错误发生时，会“抛出”异常。如果当前函数没有“捕获”错误，则函数的调用方有机会捕获该错误。如果调用者没有捕获错误，则调用者的调用者有机会捕获错误。错误在调用堆栈中逐渐向上移动，直到捕获并处理它（此时执行正常继续），或者直到main()函数中也无法处理错误（此时程序因异常错误而终止）。

在后续章节介绍异常处理。

何时使用std::cout vs std::cerr vs logging

您可能想知道什么时候应该使用std::cerr vs std::cout vs logging到文本文件。

默认情况下，std::cout和std::cerr都将文本打印到控制台。然而，现代操作系统提供了一种将输出流重定向到文件的方法，以便可以捕获输出到文件中以供以后审查或自动处理。

对于此讨论，区分两种类型的应用程序是有用的:

1. 交互式应用程序，用户在运行后将与之交互的应用程序。大多数独立应用程序，如游戏和音乐应用程序，都属于这一类。
2. 非交互式应用程序，是不需要用户交互才能运行的应用程序。这些程序的输出可以用作其他应用的输入

在非交互式应用程序中，有两种类型:

1. 工具类，通常是为了产生某些即时结果而启动，然后在产生这样的结果后终止。这方面的一个例子是Unix的grep命令，这是一个实用程序，用于搜索文本中与某种模式匹配的行。
2. 服务类，通常在后台静默运行以执行某些功能。这方面的一个例子是病毒扫描程序。

这里有一些经验法则:

1. 面向用户的文本输出结果使用std::cout。
2. 对于交互式程序，请将std::cout用于普通的面向用户的错误消息（例如，“您的输入无效”）。使用std::cerr或日志文件来记录状态和诊断信息，这些信息可能有助于诊断问题，但对于普通用户来说可能并不有趣。这可以包括技术警告和错误（例如，函数x的输入错误）、状态更新（例如，成功打开文件x，未能连接到互联网服务x）、长任务的完成百分比（例如，格式转换完成50%）等…
3. 对于非交互式程序（工具或服务），仅将std::cerr用于错误输出（例如，无法打开文件x）。这允许错误与正常输出分开显示或分析。
4. 对于本质上是事务性的任何应用程序类型（例如，处理特定事件的应用程序类型，如交互式web浏览器或非交互式web服务器），使用日志文件生成事件的事务日志，这些事件可以在以后查看。例如，输出当前正在处理的文件、完成百分比、开始计算的某个阶段的时间戳、警告和错误消息。