One exception to rule them all

本文简单讨论了不同高级编程语言如何表达以及处理错误，并介绍了 C++ 中新的解决方案。

不同语言的错误处理

错误如何表达？

不同语言给出了不同答案：

• 以 C 为代表的错误码或 errno 对象
• 以 C++ 为代表的异常对象
• 以 Scala 为代表的“函数式”结果对象

问题：不同库，不同开发者的喜好不一致，使得用户常常需要在不同的错误码和错误对象间转换

如何处理错误：不同开发者给出了不同答案：

• 完整的保留全部信息
• 终止程序，避免程序以不正确的状态运行
• 收缩或者在合适的时机忽略

问题：用户必须写出繁琐的代码（错误和正常的逻辑掺杂）、被迫终止程序（非 bug 情况是不可接受的）、错误的收缩（产生 bug 或者丢失信息）

例子：A 库使用错误类型 A，B 库使用错误类型 B，而 C 库需要在一个函数内调用 A 库和 B 库的函数，如何准确的将 A 和 B 传递给 C 库的调用者？

例子：互联网服务读取 JSON 中的值，当 JSON 中的值可能不合法时，如何编写代码处理？

主流语言都广泛使用以上两种或者三种方式，加上不同开发者存在不同的喜好，使得编写代码时时刻面临抉择

什么是理想的错误处理？

• 不丢失信息及终止程序
• 不需要调用者转换错误
• 不强制调用者处理错误

C++ 异常的问题

• 允许抛出任何类型，难以确定异常对象含义
• 异常对象一定需要堆分配（支持跨线程传递），效率低
• 捕获时类型匹配复杂，效率低

解决方案

标准错误码和错误对象

Niall Douglas 的 C++ 标准提案 status_code and standard error object ¹ 给出了一种统一的表示方法，旨在解决上述问题：如何表达错误

P1028 的核心设计是 std::status_code 和 std::status_code_domain

status_code 实际持有两个成员，一个是指向 status_domain 对象的指针，一个是 status_domain 中定义的 value_type 类型的错误对象。

status_domain 的作用是提供错误码的元数据以及提供错误之间转换的操作，这些元数据以及转换 API 被实现为虚函数。

status_domain 虽然有虚函数，但 status_domain 的所有特殊成员函数都是平凡的，这意味着 status_domain 满足字面类型的要求，可以有 constexpr 的对象。

每一个 status_code_domain 对象储存一个用户提供的唯一 ID，该 ID 用来区分不同的 domain，通常由随机数生成器生成，该 ID 的类型是不小于 64 位的无符号整数。

在处理错误（捕获时），不同 domain 之间通过该 ID 来识别。

status_code<void> 是不持有错误对象的特化，它持有一个指向 domain 的指针，并且它是平凡的。 template<typename DomainType> status_code<DomainType> 是持有错误码的主模板，它继承 status_code<void> 并额外储存一个 value_type 类型的对象。

Herbceptions

Herb Sutter 在 2018 年的时候提出了一种解决异常性能问题的新异常方案 Herbceptions，该方案保持现有异常的基本结构：throw 以及 try，catch 块，同时简化异常对象的传递以及消除对 RTTI 的依赖。

Herbceptions 的核心方案是以值的形式抛出一个小对象，该对象足够小，小到可以被储存在函数栈中向下传递，使抛出异常后不再依赖复杂的异常对象管理函数管理异常对象。同时，提供一种不需要 RTTI 的手段来区分来自不同库，不同功能的异常，也就是 std::status_code 的最终目的。

status_code 在 Dauglas 的提案中是允许任意大小的，但能用于 Herbceptions 的类型一定满足 value_type 的对象可以被储存到寄存器中，此时满足 Herbceptions 的要求。

在可以预见的未来，会有 3 种 value_type 类型被广泛使用：整数，指针以及 std::exception_ptr。

当 value_type 为整数类型时，代表该类（domain）的错误只表达错误本身，而不需要提供额外的信息，如标准库将提供 status_code<errno> 来表示 POSIX 错误，以及 status_code<DWORD> 来表示 Win32 错误。

当 value_type 为指针类型时，表示该类错误需要携带额外信息，在抛出时，用户负责申请动态内存储存 T 的对象，并将指针储存到 status_code 中。用户在捕获后可获得该指针，并从该指针中提取数据，以及释放内存。

当 value_type 为 std::exception_ptr 时，代表该异常是源自旧 C++ 异常（例如 std::exception），这是过渡方案。

捕获时，首先解引用捕获的期待对象的 domain 对象的指针，然后调用 domain 的比较函数判断期待和目标的 domain 是否相等，如果返回 true，即期待 domain 能处理目标 domain 的错误，进行第二步，判断期待和目标是否表示一个错误，如果是一个错误，那么进入当前 catch 块，如果不等，那么进入下一个 catch 块。

由于判断 domain 是否相等是独立的步骤，因此当一次判断返回 false 时，可以跳过所有期待 domain 是当前期待 domain 的 catch 块。