函數式風格錯誤處理

iThome 網站首載：函數式風格錯誤處理

程式人時常要與錯誤搏鬥，然而介紹或探討錯誤處理的文件或書籍，相對來說還是少了許多。由於許多語言都內建了例外（Exception）處理機制，目前大家對以例外機制處理錯誤較為熟悉，然而觀察其它語言典範，從中觀察一些錯誤處理的方法，以不同的習慣來思索，在錯誤處理上可獲得不少的啟發。舉例來說，例外處理多半是命令式風格，想想看函數式的世界中會是怎麼處理例外呢？

解決null問題的Option

Scala中有個Option，guava-libraries中有個Optional，JDK8中也將有個Optional類別，它們的存在目的，基本上是為了避免使用null，以免遭受因為使用了null，而造成的各種問題。我曾經在專欄〈補救null的策略〉中談過，null的問題在於語義含糊不清，可以實現速錯（Fail fast）概念，或者是建立有明確語義的型態來取代null。

實際上Option的概念來自於函數式。以Haskell為例，它沒有null的概念，最類似的值是Nothing，它是Maybe型態，Maybe的其它值要由Just構造。在Haskell中如果函式執行後也許會產生某型態結果，或者是沒有結果，那就會傳回Maybe型態的值，呼叫函式的客戶端可使用模式比對（Pattern match）在傳回Just時取得其中的值，在Nothing時作沒有結果時的處理。Scala中的Option有兩個子類別Some與None，對照來說，Option相當於Haskell的Maybe，Some對應於Just，None對應於Nothing，Scala支援函數式設計，Some與None定義為案例類別（Case class），以支援模式比對。

觀察Haskell的Maybe或是Scala的Option的使用時機，會發現它們多半用在計算可能失敗而沒有結果的場合，也就是說，Maybe或Option常是函數式世界中處理計算失敗或錯誤的方式。現在不少命令式語言都逐漸納入函數式風格，除了一級函式是最顯而易見的函數式特性之外，實際上guava-libraies中納入Optional的概念也是，只不過在不支援模式比對的Java語言中，會使用Optional的isPresent方法來確認是否有包裹值，也就說是，Optional除了避免null相關問題外，實際上也給了我們一些以函數式風格處理錯誤的機會。

分別表現對錯資訊的Either

在命令式語言逐步結合函數式概念的過程中，常會出現一些讓熟悉命令式風格的程式人困惑之元素。以嘗試融合物件導向及函數式兩種典範的Scala為例，除了Option之外，還提供了Either型態，表面上看來，在函式可能產生兩種型態之一計算結果時，可以令其傳回Either，實際上Either多半運用於處理錯誤，它有Right與Left兩個子類別，前者是計算成功時用來包裹正確結果（Right的英文暗示著正確），後者是在計算失敗時用來包括為何計算錯誤的有效訊息。Haskell中也有個Either型態，分別可使用Right與Left兩個值建構式（Value constructor）。同樣地，函數式的Haskell或Scala中，Either的值都可以進行模式匹配。

從Java這類命令式語言中看Either，容易有的疑問是「為什麼不直接拋出例外」？拋出例外意謂著客戶端若要處理例外，必須使用try-catch語法，try-catch語法容易寫出更動變數值的程式流程，而拋出例外本身就代表著會中斷程式流程，也就是函數有可能不會有傳回值，這不符合函數式風格。Option的存在解決了部份問題，然而Option在計算失敗時只傳回None，如此一來只會知道計算失敗，但不會知道失敗的原因。

可以使用Either來解決這類問題。以Scala為例，在結合例外型態下，假設計算成功會傳回Int，計算失敗會以Exception包裏錯誤訊息，那麼函式傳回值可以是Either[Exception, Int]，假設現在計算成功得到93，則傳回Right(93)，否則建立例外物件e並傳回Left(e)，如此一來，呼叫函式的客戶端可以模式匹配作相對應的處理，即使客戶端不打算處理例外，也不用撰寫try-catch，程式依然可以進行，也就是可以延遲例外的處理。有了Either這類型態，錯誤處理的方式就可以有函數式的可能性，也因此支援Java進行函數式風格撰寫的Functional Java程式庫，亦定義了Either這個型態。

看看Scala 2.10新增的Try

在Scala中有趣的一點是，try-catch語法是運算式（Expression），也就是try-catch會有傳回值，這使得在運用try-catch語法的場合中，依舊可符合函數式風格，因此若察看Either的API文件時，可以看到以下的範例程式碼：

val result: Either[String,Int] = 

              try { Right(in.toInt) } 

              catch { case e: Exception => Left(in) }

實際上這是個很常見的模式，因此在Scala 2.10中增加了Try類別，可以直接將上例撰寫為val result: Try[Int] = Try(in.toInt)，如果in.toInt執行成功，會傳回Success實例包裏結果，若失敗則以Failure實例包裏例外物件。呼叫函式的客戶端，同樣可進一步地進行模式匹配。

Try型態的主要作用之一，在於提供比Either更明確的語意，Try的兩個子類因而明確地命名為Success與Failure；Try的另一作用是封裝共用的try-catch處理流程。在Java領域談到封裝try-catch共用處理流程的實際例子，是Spring的JdbcTemplate，它封裝了使用JDBC API時繁瑣的try-catch處理流程，這不單是為了重用流程樣版，也是為了可讀性，在《Clean Code》書中有個小節談到了〈提取Try/Catch區塊〉，也是類似的道理。

既然知道了Try的作用在提供更明確語意與重用try-catch流程，要在Java中建立類似的型態基本上就不是問題，雖然try-catch在Java中不是運算式，但可以封裝在函式中，並以return來作到類似功能。現階段的Java版本不支援Lambda語法，寫來會比較囉嗦，如果在JDK8中，則可以較簡潔地寫為tryIt(() -> Integer.parseInt(input))，並令tryIt傳回Try<Integer>實例來達到類似功能。

從多種典範中學習並思考

在過去，程式人習慣使用null，後續因為層出不窮的錯誤，以及《Null References: The Billion Dollar Mistake》之類的呼籲，有人開始思考如何不使用null，因而引入了函數式領域的概念，使用了Option來讓語意明確，現在不少程式人都知道Option的概念與使用的時機。

隨著命令式語言漸次地引入函數式的元素，程式人也得瞭解更多的函數式概念，方能瞭解這些元素實際的使用時機，就像Either，它不僅僅是用來包裹可能的兩種型態傳回值，否則的話基本上Map或其它自訂型態也作得到這點。Either讓編譯器有機會進行型態檢查，更重要的是它常應用在錯誤處理的場合。程式語言融合多種典範，代表著程式人需要更多的思考方向，就如Option、Either、Try等元素若進入到命令式語言之中，程式人在必要的時候就得改變一下處理錯誤的習慣，嘗試從另一角度來解決問題。