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C++ 错误处理：异常、optional 与 variant

Kingcq2026/7/18大约 4 分钟C/C++ 语言与程序设计C++异常optionalvariant

错误处理没有一种方式适合所有场景。C++ 既可以使用返回值，也可以使用异常，还提供 std::optional、std::variant 等类型明确表达“可能没有结果”或“结果有多种形态”。

先区分错误类别

  • 程序员错误：违反内部不变量、下标错误；通常通过断言、测试和修复代码解决；
  • 预期失败：没找到键、用户输入不合法；属于正常控制流；
  • 运行环境失败：文件打不开、分配失败、网络中断；调用者可能恢复或向上报告；
  • 不可恢复失败：核心状态损坏等，可能只能安全终止。

错误机制应匹配失败是否常见、是否需要携带信息以及调用层级。

异常基础

#include <stdexcept>
#include <string>

int parse_age(const std::string& text) {
    std::size_t used = 0;
    int value = std::stoi(text, &used);

    if (used != text.size()) {
        throw std::invalid_argument("age contains extra characters");
    }
    if (value < 0 || value > 150) {
        throw std::out_of_range("age is outside 0..150");
    }
    return value;
}

捕获：

try {
    int age = parse_age(input);
    use(age);
} catch (const std::invalid_argument& error) {
    std::cerr << "输入无效：" << error.what() << '\n';
} catch (const std::out_of_range& error) {
    std::cerr << "数值越界：" << error.what() << '\n';
}

通常按 const 引用捕获，避免切片和复制。

栈展开与 RAII

异常传播时，已经构造完成的局部对象会按逆序析构：

void process(const std::string& path) {
    std::ifstream file(path); // 自动管理文件
    std::vector<int> values;  // 自动管理内存
    // 后续抛出异常时，file 和 values 仍会析构
}

这就是异常与 RAII 配合的关键。若资源只保存在裸指针中，异常可能绕过手写清理。

不要什么都 catch (...)

try {
    work();
} catch (...) {
    // 什么也不做
}

吞掉所有异常会隐藏错误并让程序继续处于未知状态。只有在明确边界（线程入口、日志边界、程序顶层）进行记录、转换或安全终止时才合理。

noexcept

void swap(Buffer& other) noexcept;

noexcept 表示函数承诺不让异常逃出。若实际抛出，程序会调用 std::terminate。

移动构造常标记 noexcept，因为标准容器在扩容时更愿意使用不会抛出的移动操作，以维护强异常保证。

不要为了性能盲目标记；只有函数真的能履行承诺时才写。

std::optional

“查找可能没有结果”通常不需要异常：

#include <optional>
#include <string>

std::optional<int> find_score(const std::string& name) {
    if (name == "Alice") return 95;
    return std::nullopt;
}

使用：

if (auto score = find_score("Alice")) {
    std::cout << *score << '\n';
} else {
    std::cout << "not found\n";
}

optional<T> 表示“有一个 T 或者没有”。它不携带详细失败原因。

std::variant

一个值可能是几种明确类型之一：

#include <string>
#include <variant>

using ParseResult = std::variant<int, std::string>;

ParseResult parse_number(const std::string& text) {
    try {
        return std::stoi(text);
    } catch (const std::exception& error) {
        return std::string(error.what());
    }
}

访问：

std::visit([](const auto& value) {
    std::cout << value << '\n';
}, result);

这里用字符串作为错误只是教学简化。更好的设计可以定义结构化错误类型。

C++17 没有标准 expected

“成功值或错误值”比 variant 更专门。C++23 提供 std::expected，但本教程基线是 C++17，可以：

  • 使用项目自定义 Result<T, E>；
  • 使用成熟第三方实现；
  • 在简单场景用返回状态加输出参数；
  • 或用 variant<T, Error> 明确表达。

不要假装所有编译器的 C++17 环境都有 std::expected。

选择方式

场景常见选择
常见且无详细原因的“没有”optional
常见且需要错误详情结果类型 / variant
深层调用中罕见失败，无法就地处理异常
C 接口或禁用异常环境状态码 + 输出参数
程序员错误断言、测试、修复

异常安全保证

常见级别：

  • 无抛出保证：操作不抛异常；
  • 强保证：失败时对象状态不变；
  • 基本保证：失败后对象仍有效，但状态可能改变；
  • 无保证：失败后状态无法可靠使用。

“先构造临时结果，成功后再交换”是实现强保证的常见策略。

错误边界

底层函数应提供可组合的错误信息；应用最外层负责把它翻译成人类可读消息并决定退出状态：

#include <exception>
#include <iostream>

int run_application() {
    // 真正程序的顶层流程
    return 0;
}

int main() {
    try {
        return run_application();
    } catch (const std::exception& error) {
        std::cerr << "fatal: " << error.what() << '\n';
        return 1;
    }
}

最外层捕获不是为了假装恢复，而是确保记录原因并有控制地结束。

下一篇用任务管理器综合类、STL、lambda、文件和错误处理，并通过“先解析后提交”实践异常安全和强错误保证。

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