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Try 与错误处理

当你在尝试一门新的语言时,可能不会过于关注程序出错的问题, 但当真的去创造可用的代码时,就不能再忽视代码中的可能产生的错误和异常了。 鉴于各种各样的原因,人们往往低估了语言对错误处理支持程度的重要性。

事实会表明,Scala 能够很优雅的处理此类问题, 这一部分,我会介绍 Scala 基于 Try 的错误处理机制,以及这背后的原因。 我将使用一个在 Scala 2.10 新引入的特性,该特性向 2.9.3 兼容, 因此,请确保你的 Scala 版本不低于 2.9.3

异常的抛出和捕获

在介绍 Scala 错误处理的惯用法之前,我们先看看其他语言(如,Java,Ruby)的错误处理机制。 和这些语言类似,Scala 也允许你抛出异常:

case class Customer(age: Int)
class Cigarettes
case class UnderAgeException(message: String) extends Exception(message)
def buyCigarettes(customer: Customer): Cigarettes =
  if (customer.age < 16)
    throw UnderAgeException(s"Customer must be older than 16 but was ${customer.age}")
  else new Cigarettes

被抛出的异常能够以类似 Java 中的方式被捕获,虽然是使用偏函数来指定要处理的异常类型。 此外,Scala 的 try/catch 是表达式(返回一个值),因此下面的代码会返回异常的消息:

val youngCustomer = Customer(15)
try {
  buyCigarettes(youngCustomer)
  "Yo, here are your cancer sticks! Happy smokin'!"
} catch {
    case UnderAgeException(msg) => msg
}

函数式的错误处理

现在,如果代码中到处是上面的异常处理代码,那它很快就会变得丑陋无比,和函数式程序设计非常不搭。 对于高并发应用来说,这也是一个很差劲的解决方式,比如, 假设需要处理在其他线程执行的 actor 所引发的异常,显然你不能用捕获异常这种处理方式, 你可能会想到其他解决方案,例如去接收一个表示错误情况的消息。

一般来说,在 Scala 中,好的做法是通过从函数里返回一个合适的值来通知人们程序出错了。 别担心,我们不会回到 C 中那种需要使用按约定进行检查的错误编码的错误处理。 相反,Scala 使用一个特定的类型来表示可能会导致异常的计算,这个类型就是 Try。

Try 的语义

解释 Try 最好的方式是将它与上一章所讲的 Option 作对比。

Option[A] 是一个可能有值也可能没值的容器, Try[A] 则表示一种计算: 这种计算在成功的情况下,返回类型为 A 的值,在出错的情况下,返回 Throwable 。 这种可以容纳错误的容器可以很轻易的在并发执行的程序之间传递。

Try 有两个子类型:

  1. Success[A]:代表成功的计算。
  2. 封装了 ThrowableFailure[A]:代表出了错的计算。

如果知道一个计算可能导致错误,我们可以简单的使用 Try[A] 作为函数的返回类型。 这使得出错的可能性变得很明确,而且强制客户端以某种方式处理出错的可能。

假设,需要实现一个简单的网页爬取器:用户能够输入想爬取的网页 URL, 程序就需要去分析 URL 输入,并从中创建一个 java.net.URL

import scala.util.Try
import java.net.URL
def parseURL(url: String): Try[URL] = Try(new URL(url))

正如你所看到的,函数返回类型为 Try[URL]: 如果给定的 url 语法正确,这将是 Success[URL], 否则, URL 构造器会引发 MalformedURLException ,从而返回值变成 Failure[URL] 类型。

上例中,我们还用了 Try 伴生对象里的 apply 工厂方法,这个方法接受一个类型为 A传名参数, 这意味着, new URL(url) 是在 Tryapply 方法里执行的。

apply 方法不会捕获任何非致命的异常,仅仅返回一个包含相关异常的 Failure 实例。

因此, parseURL("http://danielwestheide.com") 会返回一个 Success[URL] ,包含了解析后的网址, 而 parseULR("garbage") 将返回一个含有 MalformedURLExceptionFailure[URL]

使用 Try

使用 Try 与使用 Option 非常相似,在这里你看不到太多新的东西。

你可以调用 isSuccess 方法来检查一个 Try 是否成功,然后通过 get 方法获取它的值, 但是,这种方式的使用并不多见,因为你可以用 getOrElse 方法给 Try 提供一个默认值:

val url = parseURL(Console.readLine("URL: ")) getOrElse new URL("http://duckduckgo.com")

如果用户提供的 URL 格式不正确,我们就使用 DuckDuckGo 的 URL 作为备用。

链式操作

Try 最重要的特征是,它也支持高阶函数,就像 Option 一样。 在下面的示例中,你将看到,在 Try 上也进行链式操作,捕获可能发生的异常,而且代码可读性不错。

Mapping 和 Flat Mapping

将一个是 Success[A]Try[A] 映射到 Try[B] 会得到 Success[B] 。 如果它是 Failure[A] ,就会得到 Failure[B] ,而且包含的异常和 Failure[A] 一样。

parseURL("http://danielwestheide.com").map(_.getProtocol)
// results in Success("http")
parseURL("garbage").map(_.getProtocol)
// results in Failure(java.net.MalformedURLException: no protocol: garbage)

如果链接多个 map 操作,会产生嵌套的 Try 结构,这并不是我们想要的。 考虑下面这个返回输入流的方法:

import java.io.InputStream
def inputStreamForURL(url: String): Try[Try[Try[InputStream]]] ` parseURL(url).map { u `>
 Try(u.openConnection()).map(conn => Try(conn.getInputStream))
}

由于每个传递给 map 的匿名函数都返回 Try,因此返回类型就变成了 Try[Try[Try[InputStream]]]

这时候, flatMap 就派上用场了。 Try[A] 上的 flatMap 方法接受一个映射函数,这个函数类型是 (A) => Try[B]。 如果我们的 Try[A] 已经是 Failure[A] 了,那么里面的异常就直接被封装成 Failure[B] 返回, 否则, flatMapSuccess[A] 里面的值解包出来,并通过映射函数将其映射到 Try[B]

这意味着,我们可以通过链接任意个 flatMap 调用来创建一条操作管道,将值封装在 Success 里一层层的传递。

现在让我们用 flatMap 来重写先前的例子:

def inputStreamForURL(url: String): Try[InputStream] =
 parseURL(url).flatMap { u =>
   Try(u.openConnection()).flatMap(conn => Try(conn.getInputStream))
 }

这样,我们就得到了一个 Try[InputStream], 它可以是一个 Failure,包含了在 flatMap 过程中可能出现的异常; 也可以是一个 Success,包含了最后的结果。

过滤器和 foreach

当然,你也可以对 Try 进行过滤,或者调用 foreach ,既然已经学过 Option,对于这两个方法也不会陌生。

当一个 Try 已经是 Failure 了,或者传递给它的谓词函数返回假值,filter 就返回 Failure (如果是谓词函数返回假值,那 Failure 里包含的异常是 NoSuchException ), 否则的话, filter 就返回原本的那个 Success ,什么都不会变:

def parseHttpURL(url: String) ` parseURL(url).filter(_.getProtocol `= "http")
parseHttpURL("http://apache.openmirror.de") // results in a Success[URL]
parseHttpURL("ftp://mirror.netcologne.de/apache.org") // results in a Failure[URL]

当一个 Try 是 Success 时, foreach 允许你在被包含的元素上执行副作用, 这种情况下,传递给 foreach 的函数只会执行一次,毕竟 Try 里面只有一个元素:

 parseHttpURL("http://danielwestheide.com").foreach(println)

当 Try 是 Failure 时, foreach 不会执行,返回 Unit 类型。

for 语句中的 Try

既然 Try 支持 flatMapmapfilter ,能够使用 for 语句也是理所当然的事情, 而且这种情况下的代码更可读。 为了证明这一点,我们来实现一个返回给定 URL 的网页内容的函数:

import scala.io.Source
def getURLContent(url: String): Try[Iterator[String]] =
  for {
   url <- parseURL(url)
   connection <- Try(url.openConnection())
   is <- Try(connection.getInputStream)
   source = Source.fromInputStream(is)
  } yield source.getLines()

这个方法中,有三个可能会出错的地方,但都被 Try 给涵盖了。 第一个是我们已经实现的 parseURL 方法, 只有当它是一个 Success[URL] 时,我们才会尝试打开连接,从中创建一个新的 InputStream 。 如果这两步都成功了,我们就 yield 出网页内容,得到的结果是 Try[Iterator[String]]

当然,你可以使用 Source#fromURL 简化这个代码,并且,这个代码最后没有关闭输入流, 这都是为了保持例子的简单性,专注于要讲述的主题。

在这个例子中,Source#fromURL可以这样用:

import scala.io.Source
def getURLContent(url: String): Try[Iterator[String]] =
  for {
    url <- parseURL(url)
    source = Source.fromURL(url)
  } yield source.getLines()

is.close() 可以关闭输入流。

模式匹配

代码往往需要知道一个 Try 实例是 Success 还是 Failure,这时候,你应该想到模式匹配, 也幸好, SuccessFailure 都是样例类。

接着上面的例子,如果网页内容能顺利提取到,我们就展示它,否则,打印一个错误信息:

import scala.util.Success
import scala.util.Failure
getURLContent("http://danielwestheide.com/foobar") match {
  case Success(lines) => lines.foreach(println)
  case Failure(ex) => println(s"Problem rendering URL content: ${ex.getMessage}")
}

从故障中恢复

如果想在失败的情况下执行某种动作,没必要去使用 getOrElse, 一个更好的选择是 recover ,它接受一个偏函数,并返回另一个 Try。 如果 recover 是在 Success 实例上调用的,那么就直接返回这个实例,否则就调用偏函数。 如果偏函数为给定的 Failure 定义了处理动作, recover 会返回 Success ,里面包含偏函数运行得出的结果。

下面是应用了 recover 的代码:

import java.net.MalformedURLException
import java.io.FileNotFoundException
val content = getURLContent("garbage") recover {
  case e: FileNotFoundException => Iterator("Requested page does not exist")
  case e: MalformedURLException => Iterator("Please make sure to enter a valid URL")
  case _ => Iterator("An unexpected error has occurred. We are so sorry!")
}

现在,我们可以在返回值 content 上安全的使用 get 方法了,因为它一定是一个 Success。 调用 content.get.foreach(println) 会打印 Please make sure to enter a valid URL

总结

Scala 的错误处理和其他范式的编程语言有很大的不同。 Try 类型可以让你将可能会出错的计算封装在一个容器里,并优雅的去处理计算得到的值。 并且可以像操作集合和 Option 那样统一的去操作 Try。

Try 还有其他很多重要的方法,鉴于篇幅限制,这一章并没有全部列出,比如 orElse 方法, transformrecoverWith 也都值得去看。

下一章,我们会探讨 Either,另外一种可以代表计算的类型,但它的可使用范围要比 Try 大的多。

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