使用错误代码对象进行C++错误处理
前言#
我已经使用了本文描述的代码和机制近20年了，到目前为止，我还没有找到更好的方法来处理大型C++项目中的错误。最初的想法是从一篇文章（Dr Dobbs Journal 2000年）中摘录出来的。我已经添加了一些新内容进去，使它更容易在生产环境中使用。
写这篇文章的冲动是最近发表在Andrzej的C++博客。正如我们在本文后面将看到的那样，使用错误代码对象可以产生更清晰、更易于维护的代码。
背景#
每个C++程序员都知道处理异常情况的传统方法有两种：第一种是从良好的旧C风格继承而来，返回错误代码，并希望调用者进行判断并采取适当的操作；第二种方法是抛出异常，并希望周围代码块捕获并处理该异常。C++ FAQ强烈支持第二种方法，认为它会使得代码更安全。
然而，使用异常也有其自身的缺点。代码变得更加复杂，用户必须知道所有可能引发的异常。这就是为什么旧的C++规范在函数声明中添加了“异常规范”。此外，异常会降低代码的效率。
错误代码对象被设计成类似于传统C错误代码的函数返回。最大的区别是，如果不进行判断，它们就会抛出异常。
让我们举个小例子，看看不同的实现会是什么样的。
首先，采用传统错误码的经典C方法：
Copy
int my_sqrt (float& value) {
if (value < 0)
return -1;value = sqrt(value);
return 0;
}
int main () {
double val = -1;
// 注意，这里已经进行了返回值得检查
if (my_sqrt (val) == -1)
printf ("square root of negative number");
// 有些人会忘记返回值检查
my_sqrt (val);
// 这时候断言出错，因为我们没有检查返回值
assert (val >= 0);
}
如果不检查结果，所有的坏事情都会发生，我们必须准备好使用所有传统的调试工具来找出问题。
使用传统C++异常，相同的代码可能如下所示：
Copy
void my_sqrt (float& value) {
if (value < 0)
throw std::exception ();value = sqrt(value);
}
int main () {
double val = -1;
// 注意，这里已经捕获异常
try {
my_sqrt (val);} catch (std::exception& x) {
printf ("square root of negative number");}
// 有些人可能会忘记捕获异常
my_sqrt (val);
// 这时候断言出错，因为我们没有捕获异常
assert (val >= 0);
}
异常处理在这样一个小例子中非常有用，因为我们可以看到my_sqrt函数使用try...catch包裹。但是，如果函数被深埋在库中，你可能不知道它可能抛出哪些异常。请注意，从my_sqrt函数签名中根本不知道它会抛出什么异常（如果它有抛出异常的话）。
现在.……咳咳..……错误代码对象（erc）登场：
Copy
erc my_sqrt (float& value) {
if (value < 0)
return -1;value = sqrt(value);
return 0;
}
int main () {
double val = -1;
// 注意，这里进行返回值检查
if (my_sqrt (val) == -1) // (1)
printf ("square root of negative number");
// 如果你喜欢异常处理，也是可以的
try {
my_sqrt (val);} catch (erc& x) {
printf ("square root of negative number");}
// 有些人可能忘记检查返回值
my_sqrt (val); // (2)
// 程序会崩溃，因为有一个未捕获的异常
assert (val >= 0);
}
在深入了解这种方法的魔力之前，请先观察几点：
首先，一个术语问题：为了区分传统的“C”错误代码和我的错误代码对象，在本文的其余部分，我将把“错误代码”称为我的错误代码对象。当我需要引用传统的“C”错误代码时，我将它们称为“C错误代码”。
my_sqrt函数签名清楚地指示它将返回错误代码。在C++异常情况下，没有迹象表明它会抛出异常。很久以前，C++98有这些异常规范，但在C++11中就被废弃了。你可以在雷蒙德·陈（Raymond Chen）的文章中找到更多关于这一点的讨论(The sad history of the C++ throw(…) exception) specifier。C错误代码方案也没有明确返回的整数值是错误代码。
初窥Error Code对象#
我们先来一个全貌展示，暂时忽略一些细节，后续再细讲。
当创建一个erc对象时，它有一个整数值（就像C错误代码）和一个活动标志。
Copy
class erc
{
public:
erc (int val) : value (val), active (true) {};
//...
private:
int value; // 一个整数值
bool active; // 一个活动标志
}
如果释放erc对象时，活动标志被设置，则析构函数将会引发异常。
Copy
class erc
{
public:
erc (int val) : value (val), active (true) {}
// 析构函数检查活动标志，决定是否抛出异常
~erc () noexcept(false) {if (active) throw *this;}
//...
private:
int value;
bool active;
}
到目前为止，仍然没有什么特别之处：这仅仅是一个在析构函数中抛出异常的对象。也因为如此，我们必须使用noexcept(false)来修饰析构函数。
整数转换运算符则返回erc对象的整数值，并重置活动标志：
Copy
class erc
{
public:
erc (int val) : value (val), active (true) {}
~erc () noexcept(false) {if (active) throw *this;}
// 整数转换运算符，返回整数值，重置活动标志
operator int () {active = false; return value;}
//...
private:
int value;
bool active;
}
由于活动标志已被重置，当erc对象超出作用域时，析构函数将不再抛出异常。通常，当对错误代码进行检查时，将调用整数转换运算符。
回顾一下前面简单的用法示例，在标记为(1)的注释算处，函数my_sqrt返回的erc对象与整数值进行比较，从而调用整数转换运算符。因此，活动标志将被重置，并且析构函数不会抛出异常。在标记为(2)的注释处，函数my_sqrt返回的erc对象，由于设置了活动标志，析构函数将引发异常。
遵循公认的Unix惯例，正如亚里士多德所说，成功的方法只有一种，那就是数值‘0’表示成功。erc对象的数值为0则不抛出异常。任何其他数值都表示失败，并抛出异常（如果没有检查返回值）。
这是错误代码对象的整个概念的精髓，如Dobbs Journal的文章所示。然而，我无法抗拒接受一个简单的想法并使它变得更复杂的诱惑；继续阅读！
更多细节#
前面只是全貌展示，忽略了一些细节。这些细节使错误代码功能更完善，便于把它集成到大型项目中。首先，我们需要一个移动构造函数和一个移动赋值操作符。目的是把活动标志传递给新对象，并使原对象的活动标志失效，确保只有一个活动的erc对象。
为了便于处理，我们还需要将错误代码分类的组件，这个组件是通过error facility对象(errfac)实现。除了数值和活动标志属性之外，Erc还具有一个facility对象和一个严重性级别。Erc析构函数并不像我们前面那样直接抛出异常，而是调用errfac::raise函数，与facility对象关联起来。在这个raise函数中，比较erc对象的严重性级别和facility对象关联的日志级别。如果erc对象的级别高于facility对象的日志级别，则errfac::raise()函数调用errfac::log()函数生成错误信息并抛出异常，或在超过预设级别时只记录错误信息。严重性级别是从UNIX syslog函数借用的：
名字 数值 动作
ERROR_PRI_SUCCESS 0 总是不记录，不抛出
ERROR_PRI_INFO 1 默认不记录，不抛出
ERROR_PRI_NOTICE 2 默认不记录，不抛出
ERROR_PRI_WARNING 3 默认记录，不抛出
ERROR_PRI_ERROR 4 默认记录，抛出
ERROR_PRI_CRITICAL 5 默认记录，抛出
ERROR_PRI_ALERT 6 默认记录，抛出
ERROR_PRI_EMERG 7 总是记录，抛出
默认情况下，错误代码与默认的facility对象关联。但是，我们也可以定义不同的facility类，重新处理错误。例如，您可以为所有套接字错误定义一个专门的错误处理facility类，该类把错误代码转换为有意义的消息。具有不同的错误级别有利于测试或调试，通过改变某一类错误的抛出或日志记录级别。
一个更实用的例子#
这篇博客文章前面提到的，一个HTTP客户端程序的基本流程：
Copy
Status get_data_from_server(HostName host)
{
open_socket();
if (failed)
return failure();
resolve_host();
if (failed)
return failure();
connect();
if (failed)
return failure();
send_data();
if (failed)
return failure();
receive_data();
if (failed)
return failure();
close_socket(); // 有资源漏的可能
return success();
}
这里有个问题是，因为套接字没有关闭函数就返回，会产生资源泄漏。在这种情况下，让我们看看如何使用错误代码（指作者写的Erc）。
如果我们想使用异常，代码可以如下所示：
Copy
// 函数声明，返回值得使用erc
erc open_socket ();
erc resolve_host ();
erc connect ();
erc send_data ();
erc receive_data ();
erc close_socket ();
erc get_data_from_server(HostName host)
{
erc result;
try {
// 这些函数调用失败，会触发异常
open_socket ();
resolve_host ();
connect ();
send_data ();
receive_data ();} catch (erc& x) {
result = x; // 返回erc对象给外部调用者}
close_socket (); // 清理
return result;
}
毫无例外，相同的代码可以写成：
Copy
// 函数声明，返回值使用erc
erc open_socket ();
erc resolve_host ();
erc connect ();
erc send_data ();
erc receive_data ();
erc close_socket ();
erc get_data_from_server(HostName host)
{
erc result;
(result = open_socket ())
|| (result = resolve_host ())
|| (result = connect ())
|| (result = send_data ())
|| (result = receive_data ());
close_socket (); // 清理
result.reactivate ();
return result;
}
在上面的片段中，result已转换为整数，因为它必须参与逻辑或表达式。此转换重置活动标志，因此我们必须再次显式打开它，方法是调用reactivate()功能。如果所有函数调用都是成功的，那么结果就是0，而且，按照惯例它不会抛出异常。
最后#
附件的源代码是高质量的、经过合理优化的，希望它不会更很难使用。演示项目是对流行的SQLITE数据库的C++包装器。演示项目比较大，因为它包含了SQLITE最新版本的代码(截至本文编写时，2019年11月)。源代码和演示项目都包括 Doxygen文档。
历史#
2019年11月12日：初版
源码和演示项目#
Download source code - 6.9 KB
Download demo project - 2.2 MB
作者： qinwanlin
