现代 C++ 实战（08）：错误处理策略

C++ 没有统一的「错误处理方式」——return -1、throw、std::optional、std::expected 各有战场。选错方式要么性能吃亏，要么错误被静默忽略，要么 API 语义含糊。

这一篇用同一个「解析配置文件」场景，对比 四种主流错误处理策略，并给出选型指南。对应 demo：ref/cpp_demo/basics/error_handling_demo/。

这是「现代 C++ 实战」系列的第 8 篇。建议先读第 07 篇：C++17 工具箱。

一、为什么错误处理值得单独讲？

现代 C++ 项目里，错误处理往往比算法更影响可维护性：

调用方会不会忘记检查返回值？
失败时资源会不会泄漏（文件句柄、锁、内存）？
API 语义是否清晰：「找不到」和「出错了」是一回事吗？

demo 用解析 host=...、port=... 的配置文件贯穿全文——同一功能，四种写法。

二、C 风格错误码：`return -1` + 输出参数

enum class CErrorCode { SUCCESS = 0, FILE_NOT_FOUND = -1, INVALID_FORMAT = -2 };

int parse_config(const std::string& path, Config& out, CErrorCode& err) {
    std::ifstream file(path);
    if (!file.is_open()) { err = CErrorCode::FILE_NOT_FOUND; return -1; }
    // ... 解析 ...
    return 0;
}

优点	缺点
零异常开销，适合底层 / 热路径	容易忘记检查返回值
与 C API、系统调用一致	返回值被错误码占用，结果要走输出参数
简单直观	错误码含义靠文档，信息量少

适用：系统调用封装、嵌入式、性能极度敏感且错误路径极少的代码。

三、C++ 异常：`throw` + `try/catch` + RAII

Config parse_config(const std::string& path) {
    std::ifstream file(path);
    if (!file.is_open())
        throw std::runtime_error("file not found: " + path);
    // ... 解析失败 throw ...
    return config;
}

try {
    auto cfg = parse_config("app.conf");
} catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << e.what() << '\n';
}

RAII 是异常安全的基石：ifstream、智能指针、lock_guard 在栈上析构时自动释放——即使中途 throw 也不会泄漏。

异常安全等级	含义
基本保证	不泄漏，对象处于有效状态
强保证	失败时状态不变（如 copy-and-swap）
nothrow	绝不抛异常

适用：业务逻辑、构造函数失败、错误路径复杂且需要丰富错误信息的场景。

注意：不要用异常做正常控制流（如循环退出）；析构函数默认 noexcept，析构里抛异常会 std::terminate。

四、`std::optional`：「可能没有值」，但不是错误

std::optional<Config> find_config(const std::string& name) {
    if (name == "default")
        return Config{"localhost", 8080, false};
    return std::nullopt;  // 找不到——不一定是「出错」
}

if (auto cfg = find_config("prod")) {
    use(*cfg);
} else {
    use_defaults();
}

场景	用 optional
map 查找、缓存命中	✅ 「没有」是正常结果
解析失败、文件不存在	❌ 应使用 expected 或异常

optional 表达的是可空性，不是错误语义——别把「磁盘坏了」和「键不存在」混成一个 nullopt。

五、`std::expected<T, E>`（C++23）：值或错误，类型安全

Rust 的 Result 在 C++23 里的对应物：

enum class ParseError { FileNotFound, InvalidFormat, MissingKey };

std::expected<Config, ParseError> parse_config(const std::string& path) {
    std::ifstream file(path);
    if (!file.is_open())
        return std::unexpected(ParseError::FileNotFound);
    // ...
    return config;
}

auto result = parse_config("app.conf");
if (result) {
    use(*result);
} else {
    switch (result.error()) {
        case ParseError::FileNotFound: /* ... */ break;
        // ...
    }
}

对比	optional	expected
语义	可能有值	成功值或错误
错误信息	无（只有空）	携带 `E` 类型
性能	轻量	轻量（无异常展开）

适用：库 API、需要明确错误类型、又不想用异常的场景。编译器需 C++23（__cplusplus >= 202302L）。

六、`std::error_code`：与系统错误对接

操作系统和 Boost.Asio 等库常用 error_code 而非异常：

std::error_code ec;
fs::copy_file(src, dst, ec);
if (ec) {
    std::cerr << ec.message() << '\n';  // 人类可读
}

error_code + error_category 把平台相关错误码统一成可比较、可传递的对象——适合 I/O、网络底层。

七、选型指南

方式	何时用
错误码	C 互操作、系统调用、热路径、简单二元成败
异常	构造函数失败、深层调用栈、错误信息丰富、业务层
optional	「找不到 / 没有」是正常结果，不是 failure
expected	明确的成功/失败联合类型，库 API，无异常策略
error_code	文件/网络等系统级错误，与 POSIX/Win32 对接

决策顺序：

「没有值」算正常吗？→ optional
失败需要携带类型化错误且不想抛异常？→ expected
底层 / C API / 性能关键？→ 错误码 或 error_code
其余业务逻辑 → 异常 + RAII

八、`noexcept` 与性能直觉

异常正常路径几乎零开销（零成本抽象的「零」指成功路径）
异常抛出路径昂贵（栈展开）——适合「真异常」、低频失败
标记 noexcept 帮助编译器优化移动操作；违反 noexcept 会 terminate

不要为了「性能」把所有函数改成错误码——在错误极少发生时，异常往往更清晰；在错误是常态时（如解析器逐 token），expected 或错误码更合适。

九、demo 导览

ref/cpp_demo/basics/error_handling_demo/ 对同一配置解析场景演示五种方式（含 error_code）：

1 2	cd ref/cpp_demo/basics/error_handling_demo ./build.sh --run

建议对照输出，看每种方式调用方必须写多少检查代码。

十、小结

概念	要点
错误码	简单、快，易忽略检查
异常	RAII 保安全，适合罕见失败
optional	可空 ≠ 出错
expected	C++23，值 \| 错误，类型明确
error_code	系统 / I/O 层标准做法