检测和处理错误

上一节介绍了新C++程序员在这门语言中会遇到的许多常见语义错误。如果只是误用语言功能或代码逻辑有误，这类错误通常比较容易更正。

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，大多数错误来自程序员的错误假设，或缺乏适当的错误检测与处理。

例如，在设计用于查找学生成绩的函数时，您可能会做出以下假设：

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）。

如果这些假设中有任何一个不成立怎么办？如果没有预料到这些情况，程序可能会发生故障或崩溃（通常是在函数写完之后的某个未来时间点）。

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，程序员可能假设它成功了，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入参数在语义上是有效的，但实际上并不是。

许多新程序员编写代码后，只会测试那些显而易见正确的代码路径。但其实也应该测试其他容易出错的路径。

本课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，我们将讨论如何验证用户输入，然后介绍一个有用工具，用来帮助记录和验证假设。

处理函数中的错误

函数可能会因为许多原因而失败——调用方可能传入了一个无效参数，或者函数体中的某些操作可能会失败。例如，如果找不到文件，那么打开文件进行读取的函数可能会失败。

当这种情况发生时，您有很多选项可供选择。处理错误并没有固定的最佳方法，实际选择取决于问题的性质，以及问题是否可以修复。

可以使用4种通用策略：

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，最好的策略是在发生错误的同一函数中恢复错误，这样就可以在不影响函数外部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。

如果错误是由程序无法控制的原因导致的，程序可以重试直到成功。例如，如果程序需要互联网连接，而用户已经断开连接，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，如果用户输入无效内容，程序可以要求用户重试，并循环直到用户成功输入有效内容。

另一种策略是忽略错误和/或取消操作。例如：

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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：

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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，如果调用方期望被调用函数产生返回值或某些有用的副作用，那么忽略错误可能就不是一个可行选项。

将错误传回调用方

在许多情况下，错误无法在检测到错误的函数中被合理处理。例如，考虑以下函数：

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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，因为函数需要返回某个值。也不应该要求用户输入y的新值，因为这是一个计算函数，用户输入逻辑可能在其他函数中。

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：

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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";
}

则可以改为：

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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，函数不会使用完整的返回值范围。这时，可以使用通常不可能出现的返回值来指示错误。例如，考虑以下函数：

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// 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？我们会得到一个除以零错误，并导致程序崩溃，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？显然，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。

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// 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，如果错误发生在深层嵌套的子函数中，将错误传播回main()可能不太现实。在这种情况下，可以使用退出语句（例如std::exit()）。

例如：

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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比较复杂（许多不同方法会导致不一致，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，则函数调用方有机会捕获该错误。如果调用方没有捕获错误，则调用方的调用方有机会捕获错误。错误会在调用堆栈中逐层向上移动，直到被捕获并处理（此时程序正常继续执行），或者直到main()函数中也无法处理该错误（此时程序因异常错误而终止）。

异常处理将在后续章节介绍。

何时使用std::cout、std::cerr与日志

您可能想知道什么时候应该使用std::cerr、std::cout，什么时候应该将信息记录到文本文件。

默认情况下，std::cout和std::cerr都会将文本打印到控制台。然而，现代操作系统提供了将输出流重定向到文件的方法，因此可以把输出捕获到文件中，以便以后审查或自动处理。

在这里，区分两种类型的应用程序会很有用：

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，是不需要用户交互即可运行的应用程序。这些程序的输出可以用作其他应用的输入

非交互式应用程序又可以分为两种类型：

1. 工具类，通常是为了产生某些即时结果而启动，并在产生结果后终止。一个例子是Unix的grep命令，它是一个用于搜索文本中匹配某种模式的行的实用程序。
2. 服务类，通常在后台静默运行以执行某些功能。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或日志文件记录状态和诊断信息，这些信息可能有助于诊断问题，但对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。