9-4 检测与处理错误

在第9.3节——C++中的常见语义错误中，我们探讨了初学C++程序员常遇到的多种常见语义错误类型。若错误源于语言特性的误用或逻辑错误，则可直接修正。

但程序中的多数错误并非源于无意间误用语言特性——更多是由于程序员的错误假设和/或缺乏完善的错误检测/处理机制所致。

例如，在设计查询学生成绩的函数时，你可能曾这样假设：

被查询的学生必须存在。
所有学生姓名必须唯一。
该课程采用字母评分制（而非及格/不及格制）。

如果这些假设中的任何一个不成立会怎样？如果程序员未能预见到这些情况，当此类情况发生时（通常在函数编写完成很久之后的某个时刻），程序很可能会出现故障或崩溃。

假设错误通常发生在三个关键位置：

当函数返回时，程序员可能误以为被调用的函数已成功执行，实则不然。
当程序接收输入（无论是来自用户还是文件）时，程序员可能误以为输入格式正确且语义有效，实则不然。
当函数被调用时，程序员可能误以为参数语义有效，实则不然。

许多新手程序员编写代码后，只测试成功路径happy path：即没有错误的情况。但你也应该规划并测试失败路径sad paths——那些可能出错且必然出错的情形。在第3.10课——在问题出现之前就发现它们中，我们定义了防御性编程defensive programming：即预判软件可能遭遇的所有滥用场景，无论是终端用户还是开发者（包括程序员自身或其他开发者）造成的滥用。当预判（或发现）滥用情况后，下一步便是制定应对方案。

本节将探讨函数内部的错误处理策略（异常情况下的应对方案）。后续课程将深入用户输入验证机制，并引入一款实用工具来辅助记录和验证程序假设。

函数中的错误处理

函数可能因多种原因失败——调用者可能传递了无效实参，或函数体内出现执行错误。例如，若文件无法被找到，用于读取文件的函数便可能失败。

此时可采取多种应对方案。错误处理并无标准答案——具体策略取决于问题性质及是否可修复。

可采用以下四种通用策略：

在函数内部处理错误
将错误传递给调用方处理
终止程序
抛出异常

在函数内部处理错误

若条件允许，最佳策略是在错误发生时于同一函数内进行恢复，这样既能控制错误范围，又可避免影响函数外部的代码。具体有两种处理方式：持续重试直至成功，或直接取消当前操作。

若错误源于程序无法控制的因素，程序可通过循环尝试直至成功。例如：当程序需要网络连接而用户断开连接时，程序可显示警告并使用循环定期重试网络连接。若用户输入无效数据，程序可提示用户重新输入，并循环直至用户成功输入有效数据。下节课程（9.5 -- std::cin 与无效输入处理）将展示处理无效输入及使用循环重试的示例。

另一种策略是直接忽略错误并/或取消操作。例如：

// Silent failure if y=0
void printIntDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << x / y;
}

在上例中，若用户传入的 y 值无效，我们仅会忽略打印除法运算结果的请求。此处理方式的主要问题在于调用方或用户无法察觉异常发生。此时，打印错误信息将有所帮助：

void printIntDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << 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返回值或产生某些有用的副作用，那么直接忽略错误可能并非可行之选。

将错误传递回调用方

在许多情况下，错误无法在检测到错误的函数中合理处理。例如，考虑以下函数：

int doIntDivision(int x, int y)
{
    return x / y;
}

如果 y 为 0，我们该怎么办？我们不能直接跳过程序逻辑，因为函数需要返回某个值。我们不应要求用户重新输入 y 的值，因为这是个计算函数，引入输入流程可能并不适合调用该函数的程序。

此时最佳方案是将错误传递给调用方，期待其进行处理。

具体如何实现？

若函数原为 void 返回类型，可改为返回布尔值以指示成功或失败。例如将以下代码：

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

我们可以做到：

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

    std::cout << x / y;

    return true;
}

这样，调用者就可以检查返回值，判断函数是否因某种原因失败。

如果函数返回正常值，情况就稍显复杂。某些情况下，不会用到全部返回值范围。此时，我们可以使用一种在正常情况下不可能出现的返回值来表示错误。例如，考虑以下函数：

// The reciprocal of x is 1/x
double reciprocal(double x)
{
    return 1.0 / x;
}

某个数x的倒数定义为1/x，而一个数与其倒数相乘等于1。

然而，若用户调用该函数时传入参数为reciprocal(0.0)，将会发生什么？此时会引发除以零错误导致程序崩溃，显然我们需要对此情况进行保护。但该函数必须返回双精度数值，那么该返回何值？事实上该函数永远不会产生0.0作为合法结果，因此我们可以直接返回0.0来表示错误情况。

// The reciprocal of x is 1/x, returns 0.0 if x=0
constexpr double error_no_reciprocal { 0.0 }; // could also be placed in namespace

double reciprocal(double x)
{
    if (x == 0.0)
       return error_no_reciprocal;

    return 1.0 / x;
}

哨兵值sentinel value是在函数或算法上下文中具有特殊含义的值。在上文的reciprocal()函数中，0.0即为哨兵值，表示函数执行失败。调用方可通过检测返回值是否与哨兵值匹配来判断函数是否失败。虽然函数通常直接返回哨兵值，但返回描述哨兵值的常量能提升代码可读性。

然而，若函数可能返回完整值域中的任意值，此时使用哨兵值指示错误便存在问题（因为调用方无法区分返回值是有效值还是错误值）。

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在这种情况下，返回 std::optional（或 std::expected）会是更好的选择。我们在第 12.15 课——std::optional 中介绍了 std::optional。

致命错误

若错误严重到程序无法继续正常运行，则称为不可恢复错误non-recoverable（也称致命错误fatal error）。此类情况下，最佳处理方式是终止程序。若代码位于 main() 或直接由 main() 调用的函数中，最佳做法是让 main() 返回非零状态码。但若深陷嵌套子函数，可能不便或无法将错误全程回传至 main()。此时可使用中止语句（如 std::exit()）。

例如：

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

异常

由于从函数向调用方返回错误较为复杂（且多种实现方式导致不一致，而一致性缺失易引发错误），C++提供了一种完全独立的错误传递机制：异常。

其基本原理是：当错误发生时，异常会被“抛出”。若当前函数未“捕获”该错误，则函数调用方有机会捕获错误。若调用方未捕获错误，则其上级调用方仍有机会捕获错误。错误将沿调用栈逐级向上传递，直至被捕获并处理（此时程序正常继续执行），或直至主函数(main())处理失败（此时程序将因异常错误终止）。

本教程系列第27章将详细讲解异常处理机制。

何时使用 std::cout、std::cerr 与日志记录

在第 3.4 课——基础调试策略中，我们介绍了 std::cerr。您可能在思考何时（或是否）应该使用 std::cerr、std::cout 以及文本文件日志记录。

默认情况下，std::cout 和 std::cerr 都会将文本输出到控制台。但现代操作系统提供了将输出流重定向到文件的功能，这样就能捕获输出内容以便后续审查或自动化处理。

为便于讨论，我们需要区分两种应用场景：

交互式应用程序Interactive applications是指运行后用户需要与其进行交互的应用程序。大多数独立应用程序，如游戏和音乐应用，都属于这一类。
非交互式应用程序Non-interactive applications是指运行时无需用户交互的应用程序。这些程序的输出结果可作为其他应用程序的输入。

在非交互式应用程序中，存在两种类型：

工具Tools是非交互式应用程序，通常启动后会立即产生某种结果，并在完成任务后终止运行。例如Unix系统的grep命令，这是一款用于在文本中搜索符合特定模式行数的实用程序。
服务Services同样是非交互式应用程序，通常在后台静默运行以执行持续性功能。例如病毒扫描程序就属于此类服务。

以下是一些经验法则：

所有常规的用户可见文本均应使用 std::cout 输出。
交互式程序中，标准用户可见的错误信息（如“您的输入无效”）应通过 std::cout 显示。状态和诊断信息（可能有助于排查问题但对普通用户通常不重要）应使用 std::cerr 或日志文件输出。此类信息包括技术性警告和错误（例如函数 x 接收无效输入）、状态更新（例如成功打开文件 x，连接互联网服务 x 失败）、耗时任务的进度百分比（例如编码进度 50%）等。
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”）。这可使错误信息与正常输出分离显示或解析。
对于任何具有事务性质的应用程序类型（例如处理特定事件的应用，如交互式网页浏览器或非交互式网页服务器），应使用日志文件生成可供后续审查的事务日志。日志内容可包含：正在处理的文件信息、进度百分比更新、各计算阶段开始时间戳、警告与错误消息等。

posted @ 2026-03-01 12:09 游翔阅读(1) 评论(0) 收藏举报

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