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厌倦了NullPointException？Optional拯救你！
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[转]厌倦了NullPointException？Optional拯救你！ I call it my billion-dollar mistake. It was the invention of the null reference in 1965. I couldn’t resist the temptation to put in a null reference, simply because it was so easy to implement. —Tony Hoare 有人说，当你处理过了空指针异常才真正成为一个Java开发者。抛开玩笑话不谈，空指针确实是很多bug的根源。Java SE 8引入了一个新的叫做java.util.Optional 的类来缓解这个问题。 我们首先看看空指针有什么危险，Computer是一个嵌套的对象，如图： 下面的代码有什么潜在的问题呢？ String version = computer.getSoundcard().getUSB().getVersion(); 貌似可行，但是，很多电脑（比如 Raspberry Pi）并没有Soundcard，因此调用getSoundcard会发生什么？毫无疑问，结果自然是在运行时给你抛出一个NullPointException，然后终止程序的执行。 如何避免上面的空指针异常呢？一般的做法就是在调用方法之前进行检测： String version = "UNKNOWN"; if(computer != null){ Soundcard soundcard = computer.getSoundcard(); if(soundcard != null){ USB usb = soundcard.getUSB(); if(usb != null){ version = usb.getVersion(); } } } 但是，上面嵌套if检测的代码确实不怎么好看。但是没办法，我们需要很多这样死板的没什么意义的代码来避免碰到NullPointException。更恼火的是，这部分代码成了我们业务逻辑的一部分，还降低了代码的可读性。 万一我们忘记对某个可能为null的对象进行非空检测怎么办？使用null来说明某个值缺失是一种错误的方式, 下文将说明这个问题并给出更好的解决办法。 先看看别的编程语言是如何处理这个问题的。 Null的替代物 Grovvy语言有一个?.的操作符，可以安全地处理潜在可能的空引用（C#即将包含这个特性，Java7曾被建议引入这个但是并没有发布。）它是这么用的： String version = computer?.getSoundcard()?.getUSB()?.getVersion(); 如果getSoundcard(),getUSB(),getVersion任意一个返回null，变量version就被赋值为null，不需要额外的复杂的嵌套检测。更好的是，Grovvy还有一个Elvis操作符:?:，可以给类似上面的表达式提供默认值。下面的表达式如果?. 返回了null那么变量version会被赋值为”UNKNOW”: String version = computer?.getSoundcard()?.getUSB()?.getVersion() ?: "UNKNOWN"; 其他的一些函数式编程语言，比如Haskell, Scala，使用了一种别的方式。Haskell有一个Maybe型态，这个型态代表了一种有可选值的类型。Maybe形态的值可能包含一个给定类型的值或者是Nothing(译者注：代表没有值)，完全没有空指针的概念。Scala有一种类似的叫做Option[T]的东西来代表类型T的某一个值存在或者没有。因此，你必须显式检测这个值是否存在，如果不存在就不能使用任何Option类型的操作符；这样由于Scala的类型系统，你永远也不会忘记对于空指针的检测。 貌似有点扯远了，那么，Java8给我们提供了什么呢？ 果壳里的Optional 受到Haskell和Scala的启发，Java8引入了一个叫做java.util.Optional的类，这一个包含一个可选值的类型，你可以把它当作包含单个值的容器——这个容器要么包含一个值要么什么都没有，如下图： 我们在数据模型里面引入Optional： public class Computer { private Optional soundcard; public Optional getSoundcard() { ... } ... } public class Soundcard { private Optional usb; public Optional getUSB() { ... } } public class USB{ public String getVersion(){ ... } } 用上面的代码，我们一眼就可以看出来一个computer有没有soundcard（他们是optioal，可选的），更进一步，一个声卡也有一个可选的USB端口；新的模型能清晰地反映出一个给定的值是有可能不存在的。这种做法在某些库里面也存在，比如Guava 我们能用Optional对象干什么？Optional对象包含了一些方法来显式地处理某个值是存在还是缺失，Optional类强制你思考值不存在的情况，这样就能避免潜在的空指针异常。 值得一提的是，设计Optional类的目的并不是完全取代null, 它的目的是设计更易理解的API。通过Optional，可以从方法签名就知道这个函数有可能返回一个缺失的值，这样强制你处理这些缺失值的情况。 Optional的正确打开方式 废话扯了这么多，来点实际的例子吧！首先来看看如何使用Optional类来实现传统的空指针检测： String name = computer.flatMap(Computer::getSoundcard) .flatMap(Soundcard::getUSB) .map(USB::getVersion) .orElse("UNKNOWN"); 如果无法理解这段代码，可以复习Java8的lambda和方法引用,见Java8 Lambdas 以及stream pipelining概念,见Processing Data with Java SE 8 Steams 创建Optional对象 如何创建Optional对象呢，有下面几种方式： 空的Optional Optional sc = Optional.empty(); 包含非空值的Optional SoundCard soundcard = new Soundcard(); Optional sc = Optional.of(soundcard); 一旦soundcard是null，这段代码会立即抛出一个NullPointException（而不是等你以后你访问这个空的soundcard对象的时候) 可能为空的Optional Optional sc = Optional.ofNullable(soundcard); 如果soundcard是null那么这个Optional将会是empty. 值存在的时候进行进一步的操作 现在你有了一个Optional对象，你可以显式地处理值存在或者不存在的情况，再也不用想这样如履薄冰地进行空指针检测了： SoundCard soundcard = ...; if(soundcard != null){ System.out.println(soundcard); } 现在，可以使用ifPresent()方法，如下： Optional soundcard = ...; soundcard.ifPresent(System.out::println); 现在，你再也不用显示地进行非空检测了，类型系统帮你干了这件事。如果Optional是empty,上面的代码就不会执行打印了。 你也可以使用isPresent()方法检查某个值是否存在，另外，get 方法可以返回Optional容器里面包含的那个对象，如果没有这个对象，get方法会立即抛出一个NoSuchElementException，这两个方法可以结合起来： if(soundcard.isPresent()){ System.out.println(soundcard.get()); } 但是，并不提倡这样使用Optional。（这么做跟null检测有什么区别？），下面有一些惯用手法，我们来看一下。 默认值和默认操作 在某个操作返回空的时候给出一个默认值也是一个典型的场景，通畅的做法是使用三目运算符(?:) Soundcard soundcard = maybeSoundcard != null ? maybeSoundcard : new Soundcard("basic_sound_card"); 可以使用Optional对象的ifElse方法改进这个代码： Soundcard soundcard = maybeSoundcard.orElse(new Soundcard("defaut")); 如果你想在空值的时候抛出一个异常，可以使用ifElseThrow方法： Soundcard soundcard = maybeSoundCard.orElseThrow(IllegalStateException::new); 使用filter过滤特定值 很多时候你需要调用某个对象的方法并且检查它的一些属性。例如：你可能需要检测一个USB的端口是否是一个特定的版本；如果需要避免空指针异常，通畅的方式是检测非空然后调用getVersion方法，如下： USB usb = ...; if(usb != null && "3.0".equals(usb.getVersion())){ System.out.println("ok"); } 使用Optional的filter可以这么干： Optional maybeUSB = ...; maybeUSB.filter(usb -> "3.0".equals(usb.getVersion()) .ifPresent(() -> System.out.println("ok")); filter方法带有一个Predicate的参数，如果Optional容器里面的对象存在并且满足这个predicate,那么filter返回那个对象，否则就返回empty的Optional。（跟Stream接口的filter类似） 使用map转换值 另外一个比较常见的场景是需要从某个对象里面提取出特定的值。例如：从一个Soundcard对象里面取出一个USB对象然后检测这个usb对象是否是正确的版本。通常可以这么写： if(soundcard != null){ USB usb = soundcard.getUSB(); if(usb != null && "3.0".equals(usb.getVersion()){ System.out.println("ok"); } } 使用Optional的map方法，如下： Optional usb = maybeSoundcard.map(Soundcard::getUSB); Optional容器里面的值被某个函数（这里是USB的方法引用）作为参数“转换”了，如果Optional是empty那么就什么也不会发生。 结合使用map和filter可以检测某个声卡是否有USB 3.0的接口： maybeSoundcard.map(Soundcard::getUSB) .filter(usb -> "3.0".equals(usb.getVersion()) .ifPresent(() -> System.out.println("ok")); 现在我们的代码看起来比较像是在描述问题了！而且没有任何非空检测，太酷了！ 使用flatMap级联Optional 我们已经有一些常见的模式可以通过Optional重构了，那么我们如何用一种安全的方式重构下面的代码呢？ String version = computer.getSoundcard().getUSB().getVersion(); 上面的代码都是从一个对象里面取出另外一个对象， 这不正是上文介绍的map吗？我们改写Computer模型对象，让它拥有一个Optional和一个Optional，然后就可以把代码改成这样： String version = computer.map(Computer::getSoundcard) .map(Soundcard::getUSB) .map(USB::getVersion) .orElse("UNKNOWN"); 但是，这段代码并不能通过编译。为什么？ computer变量类型是Optional，因此它调用map方法没有任何问题；但是，getSoundcard()方法的返回类型是Optional这意味着map操作结果的类型是Optional,因此getUsb这个调用是非法的：外面的那个Optional包含的值是另外一个Optional，自然就没有getUsb方法，下图是这个调用的结构（two level Optional）： 如何解决这个问题呢？Optional类提供了一个flapMap的方法。这个方法可以对一个Optional使用一个函数转换为一个Optional然后把结果（两个Optional)flatten为一个单个Optional，下图给出了map和flatMap的区别： 用flatMap重写我们的代码： String version = computer.flatMap(Computer::getSoundcard) .flatMap(Soundcard::getUSB) .map(USB::getVersion) .orElse("UNKNOWN"); 第一个flatMap确保返回一个Optioan而不是Optional
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