如何使用C++23的`std::expected`处理错误？

Question

**如何在C++23中使用`std::expected`进行错误处理？** C++23引入的`std::expected`为函数返回值提供了一种类型安全的错误处理机制，它既可以表示成功时的值（`T`），也可以表示错误时的异常信息（如`E`）。与`std::optional`不同，`std::expected`明确表达了操作可能失败的语义。常见问题包括：如何正确构造和返回`std::expected`对象？如何提取成功值或错误信息？如何结合`std::error_code`进行标准化错误处理？此外，开发者常困惑于何时使用`std::expected`而非异常机制，以及如何在实际项目中替代传统的错误码或`std::pair`模式。掌握这些问题有助于写出更清晰、可维护的错误处理逻辑。

Answer 1

如何在 C++23 中使用 std::expected 进行错误处理？

C++23 引入了 std::expected，为函数返回值提供了一种类型安全的错误处理机制。它既可以表示成功时的值（T），也可以表示错误时的信息（如 E）。与 std::optional 不同，std::expected 明确表达了操作可能失败的语义。

1. 基本概念与类型定义

std::expected<T, E> 是一个模板类，表示一个可能成功（包含值 T）或失败（包含错误 E）的结果。常见的错误类型包括 std::error_code、枚举类型或自定义错误结构。

#include <expected>
#include <iostream>

std::expected<int, std::string> divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return std::unexpected("Division by zero");
    }
    return a / b;
}

2. 构造与返回 std::expected 对象

构造 std::expected 时，可以使用直接构造或通过 std::unexpected 构造错误状态。

• 成功返回：return T; 或 return std::expected<T, E>(T{});
• 错误返回：return std::unexpected(E{});

std::expected<double, std::error_code> safe_sqrt(double x) {
    if (x < 0) {
        return std::unexpected(std::make_error_code(std::errc::invalid_argument));
    }
    return std::sqrt(x);
}

3. 提取成功值或错误信息

可以通过 value() 和 error() 方法分别获取成功值或错误信息。使用前建议通过 has_value() 检查状态。

auto result = divide(10, 2);
if (result.has_value()) {
    std::cout << "Result: " << result.value() << '\n';
} else {
    std::cout << "Error: " << result.error() << '\n';
}

4. 结合 std::error_code 进行标准化错误处理

为了与系统错误码兼容，推荐使用 std::error_code 作为错误类型。它支持跨平台的错误码定义，并能与标准库的错误机制无缝集成。

函数	说明
std::make_error_code()	构造标准错误码
std::errc::invalid_argument	标准错误码枚举值

5. 何时使用 std::expected 而非异常机制

使用 std::expected 的优势在于：

• 类型安全：编译期可检测错误类型
• 无异常依赖：适合禁用异常的项目
• 性能更优：避免栈展开的开销

适用于错误是常见且预期的情况（如文件不存在、网络超时），而异常更适合不可恢复的错误（如内存分配失败）。

6. 替代传统错误码和 std::pair<bool, T> 模式

std::expected 可替代 bool + 值的模式，提供更清晰的语义和更强的类型安全性。

// 旧模式
std::pair<bool, int> parse_int(const std::string& s);

// 新模式
std::expected<int, std::string> parse_int(const std::string& s);

7. 示例：完整的错误处理流程图

graph TD
A[调用函数] --> B{是否成功?}
B -->|是| C[获取值]
B -->|否| D[获取错误]
C --> E[继续处理]
D --> F[记录日志或重试]