Rust从入门到精通之精通篇:28.高级错误处理策略

高级错误处理策略

在 Rust 精通篇中,我们将深入探索 Rust 的高级错误处理策略。Rust 的错误处理机制基于 ResultOption 类型,提供了类型安全且表达力强的错误处理方式。在本章中,我们将学习如何构建复杂系统的错误处理架构,掌握高级错误处理技术和最佳实践。

错误处理回顾

在深入高级主题之前,让我们简要回顾 Rust 的错误处理基础:

fn parse_number(input: &str) -> Result<i32, std::num::ParseIntError> {
    input.parse::<i32>()
}

fn main() {
    // 使用 match 处理错误
    match parse_number("42") {
        Ok(number) => println!("解析成功: {}", number),
        Err(error) => println!("解析失败: {}", error),
    }
    
    // 使用 ? 运算符传播错误
    fn process_input(input: &str) -> Result<i32, std::num::ParseIntError> {
        let number = input.parse::<i32>()?;
        Ok(number * 2)
    }
    
    // 使用组合器方法
    let result = parse_number("42")
        .map(|n| n * 2)
        .map_err(|e| format!("解析错误: {}", e));
}

Rust 的错误处理基于以下核心概念:

  1. Result 类型:表示可能成功或失败的操作
  2. Option 类型:表示可能存在或不存在的值
  3. ? 运算符:简化错误传播
  4. 组合器方法:提供函数式风格的错误处理

自定义错误类型

创建完整的错误类型

为复杂应用创建自定义错误类型是一种最佳实践:

use std::fmt;
use std::error::Error;
use std::io;
use std::num;

#[derive(Debug)]
enum AppError {
    IoError(io::Error),
    ParseError(num::ParseIntError),
    ConfigError(String),
    DatabaseError { code: i32, message: String },
}

// 实现 Display 特征
impl fmt::Display for AppError {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        match self {
            AppError::IoError(err) => write!(f, "IO 错误: {}", err),
            AppError::ParseError(err) => write!(f, "解析错误: {}", err),
            AppError::ConfigError(msg) => write!(f, "配置错误: {}", msg),
            AppError::DatabaseError { code, message } => {
                write!(f, "数据库错误 {}: {}", code, message)
            }
        }
    }
}

// 实现 Error 特征
impl Error for AppError {
    fn source(&self) -> Option<&(dyn Error + 'static)> {
        match self {
            AppError::IoError(err) => Some(err),
            AppError::ParseError(err) => Some(err),
            AppError::ConfigError(_) => None,
            AppError::DatabaseError { .. } => None,
        }
    }
}

// 实现从其他错误类型的转换
impl From<io::Error> for AppError {
    fn from(err: io::Error) -> Self {
        AppError::IoError(err)
    }
}

impl From<num::ParseIntError> for AppError {
    fn from(err: num::ParseIntError) -> Self {
        AppError::ParseError(err)
    }
}

// 使用自定义错误类型
fn read_config(path: &str) -> Result<i32, AppError> {
    let content = std::fs::read_to_string(path)?; // io::Error 自动转换为 AppError
    let value = content.trim().parse::<i32>()?;   // ParseIntError 自动转换为 AppError
    
    if value < 0 {
        return Err(AppError::ConfigError("配置值不能为负数".to_string()));
    }
    
    Ok(value)
}

fn main() {
    match read_config("config.txt") {
        Ok(value) => println!("配置值: {}", value),
        Err(err) => {
            println!("错误: {}", err);
            
            // 获取错误链
            let mut source = err.source();
            while let Some(err) = source {
                println!("原因: {}", err);
                source = err.source();
            }
        }
    }
}

使用 thiserror 简化错误定义

thiserror 库可以大大简化自定义错误类型的定义:

use std::io;
use std::num;
use thiserror::Error;

#[derive(Error, Debug)]
enum AppError {
    #[error("IO 错误: {0}")]
    IoError(#[from] io::Error),
    
    #[error("解析错误: {0}")]
    ParseError(#[from] num::ParseIntError),
    
    #[error("配置错误: {0}")]
    ConfigError(String),
    
    #[error("数据库错误 {code}: {message}")]
    DatabaseError { code: i32, message: String },
}

// 使用方式与前面相同
fn read_config(path: &str) -> Result<i32, AppError> {
    let content = std::fs::read_to_string(path)?;
    let value = content.trim().parse::<i32>()?;
    
    if value < 0 {
        return Err(AppError::ConfigError("配置值不能为负数".to_string()));
    }
    
    Ok(value)
}

错误上下文

使用 anyhow 添加上下文

anyhow 库提供了添加错误上下文的便捷方式:

use anyhow::{Context, Result, anyhow};
use std::fs;
use std::path::Path;

fn read_config<P: AsRef<Path>>(path: P) -> Result<i32> {
    let path = path.as_ref();
    let content = fs::read_to_string(path)
        .with_context(|| format!("无法读取配置文件 {}", path.display()))?;
    
    let value = content.trim().parse::<i32>()
        .with_context(|| format!("配置文件 {} 包含无效的数字", path.display()))?;
    
    if value < 0 {
        return Err(anyhow!("配置值 {} 不能为负数", value));
    }
    
    Ok(value)
}

fn main() -> Result<()> {
    match read_config("config.txt") {
        Ok(value) => println!("配置值: {}", value),
        Err(err) => {
            // 打印完整的错误链
            eprintln!("错误: {}", err);
            
            // 打印错误的根本原因
            if let Some(source) = err.root_cause().source() {
                eprintln!("根本原因: {}", source);
            }
            
            // 打印完整的错误回溯
            eprintln!("{:?}", err);
        }
    }
    
    Ok(())
}

自定义上下文扩展

创建自己的上下文扩展特征:

use std::error::Error;

// 定义上下文扩展特征
trait ErrorExt<T, E> {
    fn context<C>(self, context: C) -> Result<T, ContextError<E>>
    where
        C: Into<String>;
}

// 为 Result 实现上下文扩展
impl<T, E: Error + 'static> ErrorExt<T, E> for Result<T, E> {
    fn context<C>(self, context: C) -> Result<T, ContextError<E>>
    where
        C: Into<String>,
    {
        self.map_err(|error| ContextError {
            context: context.into(),
            source: error,
        })
    }
}

// 上下文错误类型
#[derive(Debug)]
struct ContextError<E> {
    context: String,
    source: E,
}

impl<E: Error> std::fmt::Display for ContextError<E> {
    fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter) -> std::fmt::Result {
        write!(f, "{}", self.context)
    }
}

impl<E: Error + 'static> Error for ContextError<E> {
    fn source(&self) -> Option<&(dyn Error + 'static)> {
        Some(&self.source)
    }
}

// 使用自定义上下文
fn read_file(path: &str) -> Result<String, ContextError<std::io::Error>> {
    std::fs::read_to_string(path).context(format!("无法读取文件 {}", path))
}

fn main() {
    match read_file("example.txt") {
        Ok(content) => println!("文件内容: {}", content),
        Err(err) => {
            eprintln!("错误: {}", err);
            if let Some(source) = err.source() {
                eprintln!("原因: {}", source);
            }
        }
    }
}

错误处理模式

错误类型层次结构

为大型应用创建错误类型层次结构:

use thiserror::Error;

// 领域特定错误
#[derive(Error, Debug)]
enum DatabaseError {
    #[error("连接错误: {0}")]
    ConnectionError(String),
    
    #[error("查询错误: {0}")]
    QueryError(String),
    
    #[error("事务错误: {0}")]
    TransactionError(String),
}

#[derive(Error, Debug)]
enum NetworkError {
    #[error("连接超时")]
    Timeout,
    
    #[error("连接被拒绝")]
    ConnectionRefused,
    
    #[error("DNS 解析失败: {0}")]
    DnsError(String),
}

#[derive(Error, Debug)]
enum ConfigError {
    #[error("缺少必需的配置项: {0}")]
    MissingField(String),
    
    #[error("配置值无效: {0}")]
    InvalidValue(String),
    
    #[error("配置文件格式错误: {0}")]
    FormatError(String),
}

// 顶层应用错误
#[derive(Error, Debug)]
enum AppError {
    #[error("数据库错误: {0}")]
    Database(#[from] DatabaseError),
    
    #[error("网络错误: {0}")]
    Network(#[from] NetworkError),
    
    #[error("配置错误: {0}")]
    Config(#[from] ConfigError),
    
    #[error("未知错误: {0}")]
    Unknown(String),
}

// 使用错误层次结构
fn connect_database(config: &str) -> Result<(), AppError> {
    if config.is_empty() {
        return Err(ConfigError::MissingField("数据库 URL".to_string()).into());
    }
    
    // 模拟网络错误
    if config == "timeout" {
        return Err(NetworkError::Timeout.into());
    }
    
    // 模拟数据库错误
    if config == "invalid" {
        return Err(DatabaseError::ConnectionError("无效的凭据".to_string()).into());
    }
    
    Ok(())
}

fn main() {
    let configs = ["valid", "", "timeout", "invalid"];
    
    for config in &configs {
        match connect_database(config) {
            Ok(()) => println!("连接成功: {}", config),
            Err(err) => println!("连接失败: {}", err),
        }
    }
}

错误映射模式

在不同模块之间映射错误类型:

use thiserror::Error;

// 数据库模块错误
#[derive(Error, Debug)]
enum DbError {
    #[error("连接错误: {0}")]
    Connection(String),
    
    #[error("查询错误: {0}")]
    Query(String),
}

// API 模块错误
#[derive(Error, Debug)]
enum ApiError {
    #[error("认证失败")]
    AuthFailed,
    
    #[error("权限不足")]
    Forbidden,
    
    #[error("资源不存在")]
    NotFound,
    
    #[error("内部服务器错误: {0}")]
    Internal(String),
}

// 从 DbError 映射到 ApiError
impl From<DbError> for ApiError {
    fn from(err: DbError) -> Self {
        match err {
            DbError::Connection(_) => ApiError::Internal("数据库连接问题".to_string()),
            DbError::Query(msg) => {
                if msg.contains("not found") {
                    ApiError::NotFound
                } else {
                    ApiError::Internal(format!("数据库查询错误: {}", msg))
                }
            }
        }
    }
}

// 数据库模块函数
fn db_get_user(id: u64) -> Result<String, DbError> {
    if id == 0 {
        return Err(DbError::Connection("连接池已满".to_string()));
    }
    
    if id == 999 {
        return Err(DbError::Query("user not found".to_string()));
    }
    
    Ok(format!("User {}", id))
}

// API 模块函数
fn api_get_user(id: u64) -> Result<String, ApiError> {
    // DbError 自动映射为 ApiError
    let user = db_get_user(id)?;
    Ok(user)
}

fn main() {
    let ids = [1, 0, 999];
    
    for id in ids {
        match api_get_user(id) {
            Ok(user) => println!("获取用户成功: {}", user),
            Err(err) => println!("获取用户失败: {}", err),
        }
    }
}

高级错误处理技术

错误恢复策略

实现错误恢复和重试机制:

use std::io;
use std::thread;
use std::time::Duration;

// 重试函数
fn retry<F, T, E>(mut operation: F, retries: usize, delay: Duration) -> Result<T, E>
where
    F: FnMut() -> Result<T, E>,
    E: std::fmt::Display,
{
    let mut last_error = None;
    
    for attempt in 0..=retries {
        match operation() {
            Ok(value) => {
                if attempt > 0 {
                    println!("成功恢复,尝试次数: {}", attempt);
                }
                return Ok(value);
            }
            Err(err) => {
                println!("尝试 {} 失败: {}", attempt + 1, err);
                last_error = Some(err);
                
                if attempt < retries {
                    thread::sleep(delay);
                }
            }
        }
    }
    
    Err(last_error.unwrap())
}

// 模拟不稳定的网络操作
fn unstable_operation() -> io::Result<String> {
    // 模拟随机失败
    let random_number = rand::random::<u8>() % 3;
    
    if random_number != 0 {
        Err(io::Error::new(io::ErrorKind::ConnectionReset, "连接重置"))
    } else {
        Ok("操作成功".to_string())
    }
}

fn main() {
    let result = retry(
        || unstable_operation(),
        5,                             // 最多重试 5 次
        Duration::from_millis(100),    // 每次重试间隔 100ms
    );
    
    match result {
        Ok(value) => println!("最终结果: {}", value),
        Err(err) => println!("所有重试都失败了: {}", err),
    }
}

错误降级

实现错误降级策略,在出错时提供备选方案:

use std::fs;

// 带有降级策略的函数
fn get_config_with_fallback(primary_path: &str, fallback_path: &str) -> String {
    match fs::read_to_string(primary_path) {
        Ok(content) => {
            println!("使用主配置文件: {}", primary_path);
            content
        }
        Err(primary_err) => {
            println!("主配置读取失败: {}", primary_err);
            
            match fs::read_to_string(fallback_path) {
                Ok(content) => {
                    println!("使用备用配置文件: {}", fallback_path);
                    content
                }
                Err(fallback_err) => {
                    println!("备用配置也失败了: {}", fallback_err);
                    println!("使用默认配置");
                    "default_value=42".to_string()
                }
            }
        }
    }
}

fn main() {
    let config = get_config_with_fallback("primary.conf", "fallback.conf");
    println!("配置内容: {}", config);
}

错误聚合

收集和聚合多个操作的错误:

use std::fs;

// 收集多个操作的错误
fn process_files(paths: &[&str]) -> (Vec<String>, Vec<(String, std::io::Error)>) {
    let mut successes = Vec::new();
    let mut failures = Vec::new();
    
    for &path in paths {
        match fs::read_to_string(path) {
            Ok(content) => successes.push(content),
            Err(err) => failures.push((path.to_string(), err)),
        }
    }
    
    (successes, failures)
}

fn main() {
    let files = ["file1.txt", "file2.txt", "file3.txt"];
    let (successes, failures) = process_files(&files);
    
    println!("成功读取 {} 个文件", successes.len());
    for content in successes {
        println!("内容: {}", content.trim());
    }
    
    println!("\n失败读取 {} 个文件", failures.len());
    for (path, err) in failures {
        println!("文件 '{}' 错误: {}", path, err);
    }
}

错误处理最佳实践

错误处理指南

  1. 使用具体的错误类型:避免使用 Box<dyn Error> 作为公共 API 的错误类型
  2. 提供有用的错误消息:错误消息应该清晰地描述问题和可能的解决方案
  3. 保留错误上下文:使用 context 或类似方法添加上下文信息
  4. 考虑错误的受众:区分面向用户的错误和面向开发者的错误
  5. 适当处理错误:不要过度使用 unwrap()expect()

错误日志记录

使用结构化日志记录错误:

use log::{error, info, warn};
use thiserror::Error;

#[derive(Error, Debug)]
enum AppError {
    #[error("IO 错误: {0}")]
    Io(#[from] std::io::Error),
    
    #[error("配置错误: {0}")]
    Config(String),
}

fn process_file(path: &str) -> Result<(), AppError> {
    info!("开始处理文件: {}", path);
    
    let result = std::fs::read_to_string(path);
    
    match result {
        Ok(content) => {
            if content.is_empty() {
                warn!("文件为空: {}", path);
            }
            info!("成功处理文件: {}, 大小: {} 字节", path, content.len());
            Ok(())
        }
        Err(err) => {
            let app_err = AppError::Io(err);
            error!("处理文件失败: {}, 错误: {:?}", path, app_err);
            Err(app_err)
        }
    }
}

fn main() {
    // 初始化日志系统
    env_logger::init();
    
    let result = process_file("example.txt");
    
    if let Err(err) = result {
        error!("主程序错误: {}", err);
        std::process::exit(1);
    }
}

错误处理与测试

为错误情况编写测试:

use thiserror::Error;

#[derive(Error, Debug, PartialEq)]
enum CalculationError {
    #[error("除以零")]
    DivideByZero,
    
    #[error("溢出")]
    Overflow,
}

fn divide(a: i32, b: i32) -> Result<i32, CalculationError> {
    if b == 0 {
        return Err(CalculationError::DivideByZero);
    }
    
    if a == i32::MIN && b == -1 {
        return Err(CalculationError::Overflow);
    }
    
    Ok(a / b)
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    
    #[test]
    fn test_divide_success() {
        assert_eq!(divide(10, 2), Ok(5));
        assert_eq!(divide(-10, 2), Ok(-5));
        assert_eq!(divide(0, 5), Ok(0));
    }
    
    #[test]
    fn test_divide_by_zero() {
        assert_eq!(divide(10, 0), Err(CalculationError::DivideByZero));
    }
    
    #[test]
    fn test_divide_overflow() {
        assert_eq!(divide(i32::MIN, -1), Err(CalculationError::Overflow));
    }
}

实际应用案例

构建健壮的 Web API

use thiserror::Error;
use serde::{Deserialize, Serialize};

// 领域错误
#[derive(Error, Debug)]
enum DomainError {
    #[error("用户不存在: {0}")]
    UserNotFound(String),
    
    #[error("权限不足")]
    PermissionDenied,
    
    #[error("无效输入: {0}")]
    InvalidInput(String),
}

// 基础设施错误
#[derive(Error, Debug)]
enum InfraError {
    #[error("数据库错误: {0}")]
    Database(String),
    
    #[error("缓存错误: {0}")]
    Cache(String),
    
    #[error("网络错误: {0}")]
    Network(String),
}

// API 错误
#[derive(Error, Debug)]
enum ApiError {
    #[error("业务错误: {0}")]
    Domain(#[from] DomainError),
    
    #[error("服务器错误: {0}")]
    Infra(#[from] InfraError),
    
    #[error("认证错误: {0}")]
    Auth(String),
}

// API 响应
#[derive(Serialize)]
struct ApiResponse<T> {
    success: bool,
    data: Option<T>,
    error: Option<ErrorResponse>,
}

#[derive(Serialize)]
struct ErrorResponse {
    code: String,
    message: String,
}

// 将 ApiError 转换为 HTTP 响应
impl ApiError {
    fn to_response<T>(&self) -> (u16, ApiResponse<T>) {
        let (status_code, error_code, message) = match self {
            ApiError::Domain(DomainError::UserNotFound(id)) => {
                (404, "USER_NOT_FOUND", format!("用户不存在: {}", id))
            },
            ApiError::Domain(DomainError::PermissionDenied) => {
                (403, "PERMISSION_DENIED", "权限不足".to_string())
            },
            ApiError::Domain(DomainError::InvalidInput(msg)) => {
                (400, "INVALID_INPUT", format!("无效输入: {}", msg))
            },
            ApiError::Infra(_) => {
                (500, "INTERNAL_ERROR", "服务器内部错误".to_string())
            },
            ApiError::Auth(msg) => {
                (401, "UNAUTHORIZED", format!("认证失败: {}", msg))
            },
        };
        
        let response = ApiResponse {
            success: false,
            data: None,
            error: Some(ErrorResponse {
                code: error_code.to_string(),
                message,
            }),
        };
        
        (status_code, response)
    }
}

// 模拟用户服务
struct UserService;

impl UserService {
    fn get_user(&self, user_id: &str) -> Result<User, ApiError> {
        // 模拟数据库查询
        if user_id == "invalid" {
            return Err(DomainError::InvalidInput("用户 ID 格式不正确".to_string()).into());
        }
        
        if user_id == "missing" {
            return Err(DomainError::UserNotFound(user_id.to_string()).into());
        }
        
        if user_id == "error" {
            return Err(InfraError::Database("连接超时".to_string()).into());
        }
        
        Ok(User {
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