Rust语言圣经30 - Panic原理剖析

Posted 2022-01-07 编程学院

本文节选自<<Rust语言圣经>>一书
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panic深入剖析

在正式开始之前，先来思考一个问题: 假设我们想要从文件读取数据，如果失败，你有没有好的办法通知调用者为何失败？如果成功，你有没有好的办法把读取的结果返还给调用者？

panic!与不可恢复错误

上面的问题在真实场景，其实挺复杂的，让我们先做一个假设：文件读取操作发生在系统启动阶段。那么可以轻易得出一个结论,一旦文件读取失败，那么系统启动也将失败，这意味着该失败是不可恢复的错误，无论是因为文件不存在还是操作系统硬盘的问题，这些只是错误的原因不同，但是归根到底都是不可恢复的错误(梳理清楚当前场景的错误类型非常重要).

既然是不可恢复错误，那么一旦发生，只需让程序崩溃即可。对此，Rust为我们提供了panic!宏，当调用执行该宏时，程序会打印出一个错误信息，展开报错点往前的函数调用堆栈，最后退出程序.

切记，一定是不可恢复的错误，才调用panic!处理，你总不想系统仅仅因为用户随便传入一个非法参数就崩溃吧？所以，只有当你不知道该如何处理时，再去调用panic!.

调用panic!

首先，来调用一下panic!，这里使用了最简单的代码实现，实际上你在程序的任何地方都可以这样调用：

fn main() 
    panic!("crash and burn");

运行后输出:

thread 'main' panicked at 'crash!!1', src/main.rs:3:5
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

以上信息包含了两条重要信息:

• main函数所在的线程崩溃了，发生的代码位置是src/main.rs中的第3行第5个字符(去除该行前面的空字符)
• 在使用时加上一个环境变量可以获取更详细的栈展开信息: RUST_BACKTRACE=1 cargo run

下面让我们针对第二点进行详细展开讲解。

backtrace栈展开

在真实场景中，错误往往涉及到很长的调用链甚至会深入第三方库，如果没有栈展开技术，错误将难以跟踪处理，下面我们来看一个真实的崩溃例子：

fn main() 
    let v = vec![1, 2, 3];

    v[99];

上面的代码很简单，数组只有3个元素，我们却尝试去访问它的第100号元素(数组索引从0开始)，那自然会崩溃。

我们的读者里不乏正义之士，此时肯定要质疑，一个简单的数组越界访问，为何要直接让程序崩溃？是不是有些大题小做了？

如果有过C语言的经验，即使你越界了，问题不大，我依然尝试去访问，至于这个值是不是你想要的(100号内存地址也有可能有值，只不过是其它变量或者程序的！)，抱歉，不归我管,我只负责取，你要负责管理好自己的索引访问范围。上面这种情况被称为缓冲区溢出，并可能会导致安全漏洞，例如攻击者可以通过索引来访问到数组后面不被允许的数据。

说实话，我宁愿程序崩溃，为什么？当你取到了一个不属于你的值，这在很多时候会导致程序上的逻辑bug! 有编程经验的人都知道这种逻辑上的bug是多么难发现和修复！因此程序直接崩溃，然后告诉我们问题发生的位置，最后我们对此进行修复，这才是最合理的软件开发流程，而不是把问题藏着掖着:

thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 3 but the index is 99', src/main.rs:4:5
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

好的，现在成功知道问题发生的位置，但是如果我们想知道该问题之前经过了哪些调用环节，该怎么办？那就按照提示使用RUST_BACKTRACE=1 cargo run来再一次运行程序:

thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 3 but the index is 99', src/main.rs:4:5
stack backtrace:
   0: rust_begin_unwind
             at /rustc/59eed8a2aac0230a8b53e89d4e99d55912ba6b35/library/std/src/panicking.rs:517:5
   1: core::panicking::panic_fmt
             at /rustc/59eed8a2aac0230a8b53e89d4e99d55912ba6b35/library/core/src/panicking.rs:101:14
   2: core::panicking::panic_bounds_check
             at /rustc/59eed8a2aac0230a8b53e89d4e99d55912ba6b35/library/core/src/panicking.rs:77:5
   3: <usize as core::slice::index::SliceIndex<[T]>>::index
             at /rustc/59eed8a2aac0230a8b53e89d4e99d55912ba6b35/library/core/src/slice/index.rs:184:10
   4: core::slice::index::<impl core::ops::index::Index<I> for [T]>::index
             at /rustc/59eed8a2aac0230a8b53e89d4e99d55912ba6b35/library/core/src/slice/index.rs:15:9
   5: <alloc::vec::Vec<T,A> as core::ops::index::Index<I>>::index
             at /rustc/59eed8a2aac0230a8b53e89d4e99d55912ba6b35/library/alloc/src/vec/mod.rs:2465:9
   6: world_hello::main
             at ./src/main.rs:4:5
   7: core::ops::function::FnOnce::call_once
             at /rustc/59eed8a2aac0230a8b53e89d4e99d55912ba6b35/library/core/src/ops/function.rs:227:5
note: Some details are omitted, run with `RUST_BACKTRACE=full` for a verbose backtrace.

上面的代码就是一次栈展开(也称栈回溯)，它包含了函数调用的顺序，当然按照逆序排列：最近调用的函数排在列表的最上方. 因为咱们的main函数基本是最先调用的函数了，所以排在了倒数第二位，还有一个关注点，排在最顶部最后一个调用的函数是rust_begin_unwind，该函数的目的就是进行栈展开，呈现这些列表信息给我们。

要获取到栈回溯信息，你还需要开启debug标志，该标志在使用cargo run或者cargo build时自动开启(这两个方式是Debug运行方式). 同时，栈展开信息在不同操作系统或者Rust版本上也所有不同。

panic时的两种终止方式

当出现panic!时，程序提供了两种方式来处理终止流程: 栈展开 和 直接终止.

其中，默认的方式就是栈展开，这意味着Rust会回溯栈上数据和函数调用，因此也意味着更多的善后工作，好处是给于充分的报错信息和栈调用信息，便于事后的问题复盘。直接终止，顾名思义，不清理数据就直接推出程序，善后工作交与操作系统来负责。

对于绝大多数用户，使用默认选择是最好的，但是当你关心最终编译出的二进制可执行文件大小时，那么可以尝试去使用直接终止的方式,例如下面的配置修改Cargo.toml文件，实现在release模式下遇到panic直接终止：

[profile.release]
panic = 'abort'

线程panic后，程序会否终止？

长话短说，如果是main线程，则程序会终止，如果是其它子线程，该线程会终止。因此，尽量不要在main线程中做太多任务，将这些任务交由子线程去做，就算panic也不会导致整个程序的结束。

具体解析见panic原理剖析

何时该使用panic!

下面让我们大概罗列下合适适合使用panic，虽然原则上，你理解了之前的内容后，会自己作出合适的选择，但是罗列出来可以帮助你强化这一点。

先来一点背景知识，在前面章节我们粗略讲过Result<T,E>这个枚举类型，它是用来表示函数的返回结果：

enum Result<T, E> 
    Ok(T),
    Err(E),

当没有错误发生时，函数返回一个用Result类型包裹的值Ok(T)，当错误时，返回一个Err(E)。对于Result返回我们有很多处理方法，最简单粗暴的就是unwrap和expect，这两个函数非常类似，我们以unwrap举例:

use std::net::IpAddr;
let home: IpAddr = "127.0.0.1".parse().unwrap();

上面的parse方法试图将字符串"127.0.0.1"解析为一个IP地址类型IpAddr，它返回一个Result<IpAddr,E>类型，如果解析成功，则把Ok(IpAddr)中的值赋给home,如果失败，则不处理Err(E)，而是直接panic。

因此unwrap简而言之：成功则返回值，失败则panic, 总之不进行任何错误处理。

示例、原型、测试

这些场景，需要快速的搭建代码，错误处理反而会拖慢实现速度，也不是特别有必要，因此通过unrap、expect等方法来处理是最快的。

同时，当我们准备做错误处理时，全局搜索这些方法，也可以不遗漏的进行替换。

你确切的知道你的程序是正确时，可以使用panic

因为panic的触发方式比错误处理要简单，因此可以让代码更清晰，可读性也更加好，当我们的代码注定是正确时，你可以用unrawp等方法直接进行处理，反正也不可能panic：

use std::net::IpAddr;
let home: IpAddr = "127.0.0.1".parse().unwrap();

例如上面的例子，"127.0.0.1"就是ip地址，因此我们知道parse方法一定会成功，那么就可以直接用unwrap方法进行处理。

当然，如果该字符串是来自于用户输入，那在实际项目中，就必须用错误处理的方式，而不是unwrap，否则你的程序一天要崩溃几十万次吧！

可能导致全局有害状态时

有害状态大概分为几类：

• 非预期的错误
• 之后代码的运行会受到明显可见的影响
• 内存安全的问题

当错误预期会出现时，返回一个错误较为合适，例如解析器接收到格式错误的数据，HTTP请求接收到错误的参数甚至该请求内的任何错误(不会导致整个程序有问题，只影响该此请求)。 因为错误是可预期的，因此也是可以处理的。

当启动时某个流程发生了错误，导致了后续代码的允许造成影响，那么就应该使用panic，而不是处理错误后，继续运行，当然你可以通过重试的方式来继续。

上面提到过，数组访问越界，就要panic的原因，这个就是属于内存安全的范畴，一旦内存访问不安全，那么我们无法保证自己的程序会怎么运行下去，也无法保证逻辑和数据的正确性。

panic原理剖析

本来不想写这块儿内容，因为真的难写，但是转念一想，既然号称圣经，那么本书就得与众不同，避重就轻显然不是该有的态度。

当调用panic!宏时，它会

1. 格式化panic信息，然后使用该信息作为参数，调用std::panic::panic_any()函数
2. panic_any会检查应用是否使用了panic hook，如果使用了，该hook函数会被调用
3. 当hook函数返回后，当前的线程就开始进行栈展开：从panic_any开始,如果寄存器或者栈因为某些原因信息错乱了，那很可能该展开会发生异常，最终线程会直接停止，展开也无法继续进行。
4. 展开的过程是一帧一帧的去回溯整个栈，每个帧的数据都会随之被丢弃，但是在展开过程中，你可能会遇到被用户标记为catching的帧(通过std::panic::catch_unwind()函数标记)，此时用户提供的catch函数会被调用，展开也随之停止: 当然，如果catch选择在内部调用std::panic::resume_unwind()函数，则展开还会继续。

还有一种情况，在展开过程中，如果展开本身panic了，那展开线程会终止，展开也随之停止。

一旦线程展开被终止或者完成，最终的输出结果是取决于哪个线程panic：对于main线程，操作系统提供的终止功能core::intrinsics::abort()会被调用，最终结束当前的panic进程；如果是其它子线程，那么线程就会简单的终止，同时信息会在稍后通过std::thread::join()进行收集.