程序设计 05：C++23 的显式错误与可移动行为

“没有读数”和“读数字符串不合法”不是同一回事。需要让调用方区别处理失败原因时，只有一个空值往往不够。C++23 的 expected<T, E> 把成功值与错误值放进返回类型，move_only_function 则让持有独占资源的行为也可以作为对象传递。

本文是内存数据示例，所有“策略”都只计算整数，不连接设备、不下发动作。上一节见 C++20 的约束、范围与视图，目录见 程序设计知识分类。

1. 先给失败原因一个明确位置

expected<int, Error> 表示成功时持有整数，失败时持有 Error。与 C++17 的 optional<int> 相比，差别不是能否表达“无结果”，而是失败原因成为了接口的一部分。unexpected 用于明确构造错误分支。

示例先解析十进制整数，再检查毫米数是否处于 0 到 1000，最后转换成整数厘米。解析失败和业务范围不合要求分别使用错误码 1、2。超出 int 表示范围的文本也算解析失败；这是本程序明确选择的错误分类。

2. 完整程序：结果流水线与独占策略

下载 cpp23_expected.cpp，或直接保存下列完整程序。

#include <version>
#include <charconv>
#include <expected>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string_view>
#include <system_error>
#include <utility>

#if !defined(__cpp_lib_expected) || __cpp_lib_expected < 202202L
#error "This example requires basic C++23 std::expected."
#endif
#if !defined(__cpp_lib_to_underlying) || __cpp_lib_to_underlying < 202102L
#error "This example requires C++23 std::to_underlying."
#endif
#if !defined(__cpp_lib_move_only_function) || __cpp_lib_move_only_function < 202110L
#error "This example requires C++23 std::move_only_function."
#endif

enum class Error : int { invalid_text = 1, out_of_range = 2 };
using Result = std::expected<int, Error>;

Result parse_mm(std::string_view text) {
    if (text.empty()) {
        return std::unexpected(Error::invalid_text);
    }
    int value = 0;
    const char* end = text.data() + text.size();
    const auto [position, error] = std::from_chars(text.data(), end, value);
    if (error != std::errc{} || position != end) {
        return std::unexpected(Error::invalid_text);
    }
    return value;
}

Result validate_mm(int value) {
    if (value < 0 || value > 1000) {
        return std::unexpected(Error::out_of_range);
    }
    return value;
}

Result distance_cm(std::string_view text) {
#if __cpp_lib_expected >= 202211L
    return parse_mm(text)
        .and_then(validate_mm)
        .transform([](int millimeters) { return millimeters / 10; });
#else
    auto parsed = parse_mm(text);
    if (!parsed) {
        return std::unexpected(parsed.error());
    }
    auto valid = validate_mm(*parsed);
    if (!valid) {
        return std::unexpected(valid.error());
    }
    return *valid / 10;
#endif
}

void print_result(std::string_view text) {
    const auto result = distance_cm(text);
    if (result) {
        std::cout << text << ": cm=" << *result << '\n';
    } else {
        std::cout << text << ": error="
                  << std::to_underlying(result.error()) << '\n';
    }
}

int main() {
    print_result("120");
    print_result("oops");
    print_result("1200");

    auto gain = std::make_unique<int>(3);
    std::move_only_function<int(int)> strategy =
        [owned_gain = std::move(gain)](int centimeters) {
            return centimeters * *owned_gain;
        };
    const auto result = distance_cm("120");
    if (result && strategy) {
        std::cout << "strategy=" << strategy(*result) << '\n';
    }
}

在源码所在目录运行：

g++ -std=c++23 -Wall -Wextra -Werror -pedantic cpp23_expected.cpp -o cpp23_expected
./cpp23_expected

准确输出：

120: cm=12
oops: error=1
1200: error=2
strategy=36

已在 GCC 14.2.0、libstdc++ 14（__GLIBCXX__=20250315）下编译运行。本环境的 __cpp_lib_expected 为 202211L，因此实际运行上面的 monadic 分支。仅写 -std=c++23 不保证某套编译器与标准库已经实现所有功能；同一个编译器还可能搭配不同标准库。

3. expected 是一种结果约定，不是异常的自动替代品

调用方先检查 result，再读取 *result 或 result.error()。解引用要求当前确实有值；error() 要求当前确实是错误。value() 在错误状态会抛出 bad_expected_access，因此“返回了 expected”不代表整个程序从此不会抛异常。std::expected 提案 P0323R12

expected 本身也不会逼调用方处理返回值；项目仍可在重要函数上使用 [[nodiscard]]、告警和评审约定。适合放进 E 的是调用方能据此采取行动的信息，例如错误种类、字段或偏移位置，而不是把所有实现细节随意塞进一条字符串。

本例选择将可预期的输入错误作为返回值。内存分配失败、第三方库异常以及策略中的异常不会自动转换为 Error。在边界层统一转换、向上传播或终止，应由系统的错误处理约定决定。

解析器会要求字符全部被消费，因此 120mm 会失败；from_chars 也不会自动跳过开头空白。整数厘米转换使用除法，所以 129 毫米会得到 12 厘米；如果业务需要保留小数，就应改变成功类型和精度约定。

4. and_then 连接可能失败的步骤，transform 转换成功值

and_then(validate_mm) 的函数本身返回 expected，适合连接下一个仍可能失败的阶段。transform 的函数返回普通值，这里把毫米转换为厘米，再由设施包装成新的成功结果。前一步已经失败时，后续的成功处理函数不会执行，错误继续传递。Monadic Functions for std::expected，P2505R5

当前链中的错误类型一直是 Error，没有暗中把错误码改成字符串。需要转换错误类型时，可考虑 transform_error；需要在失败后接另一条返回结果的处理路径时，可考虑 or_else。应先明确传播或恢复规则，再决定是否写成链式形式。

“monadic”在这里不需要先学完整的抽象代数：可以先把它理解为遵守成功与失败传播约定的组合接口。短链有助于表达数据流；复杂恢复、记录上下文或多路合并时，明确的 if 分支往往更好读。

5. 特性宏必须区分基础接口和后续扩展

本文包含 <version>，并同时包含实际设施的头文件。两个 expected 检查点不能混用：

  • __cpp_lib_expected >= 202202L：支持基础 expected。
  • __cpp_lib_expected >= 202211L：支持本文使用的 monadic 操作。
  • __cpp_lib_to_underlying >= 202102L：支持 to_underlying。
  • __cpp_lib_move_only_function >= 202110L：支持 move_only_function。

代码在 expected 只有基础接口时使用显式分支实现同样的传播逻辑；其他两个设施是本完整程序的必需项。缺少头文件或语言支持时，仍需升级或更换工具链，特性宏不是补齐实现的机制。各宏值及 libstdc++ 的实现记录见 官方状态表。

to_underlying 来自 <utility>，把枚举值转换为其底层整数类型，省去手写可能与声明不一致的强制转换。它不会校验外部整数是否对应合法枚举项，也不会自动决定错误码的长期兼容策略。

6. move_only_function：让策略可以拥有独占资源

程序把 unique_ptr<int> 移入 lambda 的初始化捕获中。lambda 因为持有不可复制的 unique_ptr，也不能被复制，但可以移动。C++11 的 std::function 要求所保存目标可复制，所以不能直接保存这个目标；C++23 的 move_only_function 能承接它。

这里形成一个小型 Strategy 结构：调用方依赖 int(int) 这一行为接口，具体如何使用增益由捕获状态的策略对象决定。类型擦除带来灵活性，也可能引入间接调用和存储管理成本；如果编译期就知道唯一实现，普通 lambda 或模板参数通常更简单。

move_only_function 自身只能移动，不能复制。不要在移动后继续假定源包装器仍有原先的行为，也不要把“能移动”误读成“自动线程安全”。调用前的 strategy 判断很重要：空的 move_only_function 不满足调用前提，不能期待它像空 std::function 那样抛出 bad_function_call。N4950：func.wrap.move.inv

捕获 unique_ptr 是把所有权移动进闭包；捕获普通引用则仍是借用，包装器不会延长被引用对象的生命期。若策略进入队列或异步任务，仍然要检查它依赖的对象能否一直存活。

7. 新标准应让责任更清楚

本例的新内容是 C++23 的 expected、其 monadic 操作、to_underlying 与 move_only_function。其中 from_chars 与结构化绑定来自 C++17，lambda 初始化捕获和 make_unique 来自 C++14，unique_ptr、移动语义与 std::function 来自 C++11，RAII 的历史更早。

新设施值得采用的理由，是它们让“成功还是失败”“错误由谁解释”“资源能否复制”“行为由谁持有”更清楚。若这些责任仍然含糊，换一个更现代的类型名不会自动改善设计。

返回 程序设计知识分类，或回看 C++17 的值、状态与借用 与 C++20 的约束、范围与视图。

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