Optional

本章內(nèi)容

• 如何為缺失的值建模
• Optional 類
• 應(yīng)用Optional的幾種模式
• 使用Optional的實戰(zhàn)實例
• 小結(jié)

如何為缺失的值建模

exp:

public class Person {
    private Car car;
    public Car getCar() { return car; }
}
/////////
public class Car {
    private Insurance insurance;
    public Insurance getInsurance() { return insurance; }
}
//////////
public class Insurance {
    private String name;
    public String getName() { return name; }
}

如果有這樣一個需求巴比，獲取到用戶給自己車投保的保險公司名稱亚皂。如何獲得驾凶？像下面代碼:

public String getCarInsuranceName(Person person) {
    return person.getCar().getInsurance().getName();
}

但是現(xiàn)實生活中很多人沒有車。所以調(diào)用getCar方法的結(jié)果會怎樣呢痒谴？在實踐中，一種比較常見的做法是返回一個null引用采章，表示該值的缺失惧笛，即用戶沒有車。而接下來甘磨，對getInsurance的調(diào)用會返回null引用的insurance橡羞，這會導(dǎo)致運行時出現(xiàn)
一個NullPointerException，終止程序的運行济舆。但這還不是全部卿泽。如果返回的person值為null會怎樣？如果getInsurance的返回值也是null滋觉，結(jié)果又會怎樣签夭？
采用防御式檢查減少 NullPointerException，exp:

public String getInstanceName1(Person person) {
    if(person != null) {
        Car car = person.getCar();
        if(car != null) {
            Insurance insurance = car.getInsurance();
            if(insurance != null) {
                return insurance.getName();
            }
        }
    }
    return DEFAULT_INSTANCE_NAME;
}

上面代碼清單為“深層質(zhì)疑”椎侠，原因是它不斷重復(fù)著一種模式：每次你不確定一
個變量是否為null時第租，都需要添加一個進一步嵌套的if塊，也增加了代碼縮進的層數(shù)我纪。很明顯慎宾，這種方式不具備擴展性，同時還犧牲了代碼的可讀性浅悉。

解決這種嵌套過深可以使用衛(wèi)語句來解決趟据，exp:

public String getInstanceName2(Person person) {
    if(person == null) {
        return DEFAULT_INSTANCE_NAME;
    }
    Car car = person.getCar();
    if(car == null) {
        return DEFAULT_INSTANCE_NAME;
    }
    Insurance insurance = car.getInsurance();
    if(insurance == null) {
        return DEFAULT_INSTANCE_NAME;
    }
    return insurance.getName();
}

上面代碼雖然解決了嵌套過深問題，然而术健，這種方案遠非理想汹碱，現(xiàn)在這個方法有了四個截然不同的退出點，使得代碼的維護異常艱難荞估。而且這種流程是極易出錯的咳促；如果你忘記檢查了那個可能為null的屬性會怎樣

null 帶來的種種問題

• 它是錯誤之源色难。
  NullPointerException是目前Java程序開發(fā)中最典型的異常。
• 它會使你的代碼膨脹等缀。
  它讓你的代碼充斥著深度嵌套的null檢查枷莉，代碼的可讀性糟糕透頂。
• 它自身是毫無意義的尺迂。
  null自身沒有任何的語義笤妙，尤其是，它代表的是在靜態(tài)類型語言中以一種錯誤的方式對缺失變量值的建模噪裕。
• 它破壞了Java的哲學(xué)蹲盘。
  Java一直試圖避免讓程序員意識到指針的存在，唯一的例外是： null指針膳音。
• 它在Java的類型系統(tǒng)上開了個口子召衔。
  null并不屬于任何類型，這意味著它可以被賦值給任意引用類型的變量祭陷。這會導(dǎo)致問題苍凛，原因是當這個變量被傳遞到系統(tǒng)中的另一個部分后，你將無法獲知這個null變量最初的賦值到底是什么類型兵志。

其他語言中null的替代品

• Groovy : 通過引入安全導(dǎo)航操作符（Safe Navigation Operator醇蝴，標記為?）可以安全訪問可能為null的變量.
  exp : def carInsuranceName = person?.car?.insurance?.name
  Groovy的安全導(dǎo)航操作符能夠避免在訪問這些可能為null引用的變量時拋出NullPointerException，在調(diào)用鏈中的變量遭遇null時將null引用沿著調(diào)用鏈傳遞下去想罕，返回一個null悠栓。
• Haskell中包含了一個Maybe類型，它本質(zhì)上是對optional值的封裝按价。Maybe類型的變量可以是指定類型的值惭适，也可以什么都不是。但是它并沒有null引用的概念楼镐。Scala有類似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)癞志，名字叫Option[T]，它既可以包含類型為T的變量鸠蚪，也可以不包含該變量; 要使用這種類型今阳，你必須顯式地調(diào)用Option類型的available操作师溅，檢查該變量是否有值茅信，而這其實也是一種變相的“null檢查”

java8 Optional

汲取Haskell和Scala的靈感， Java 8中引入了一個新的類java.util.Optional<T>墓臭。這是一個封裝Optional值的類蘸鲸。變量存在時， Optional類只是對類簡單封裝窿锉。變量不存在時酌摇，缺失的值會被建模成一個“空”的Optional對象膝舅，由方法Optional.empty()返回。Optional.empty()方法是一個靜態(tài)工廠方法窑多，它返回Optional類的特定單一實例仍稀。

null引用和Optional.empty()有什么本質(zhì)的區(qū)別嗎？

1. 不會觸發(fā)NullPointerException埂息。
2. 使用Optional而不是null的一個非常重要而又實際的語義區(qū)別是：如聲明變量時使用的是Optional<Car>類型技潘，而不是Car類型，這句聲明非常清楚地表明了這發(fā)生變量缺失是允許的千康；與此相反享幽，使用Car這樣的類型，可能將變量賦值為null拾弃，這意味著你需要獨立面對這些值桩，你只能依賴你對業(yè)務(wù)模型的理解，判斷一個null是否屬于該變量的有效范疇豪椿。

你的代碼中始終如一地使用Optional奔坟，能非常清晰地界定出變量值的缺失是結(jié)構(gòu)上的問題，還是你算法上的缺陷搭盾，抑或是你數(shù)據(jù)中的問題蛀蜜。另外，我們還想特別強調(diào)增蹭，引入Optional類的意圖并非要消除每一個null引用滴某。與此相反，它的目標是幫助你更好地設(shè)計出普適的API滋迈，讓程序員看到方法簽名霎奢，就能了解它是否接受一個Optional的值。這種強制會讓你更積極地將變量從Optional中解包出來饼灿，直面缺失的變量值幕侠。

應(yīng)用 Optional 的幾種模式

創(chuàng)建Optional對象

1. 聲明一個空的Optional

Optional<Car> optCar = Optional.empty();

2. 依據(jù)一個非空值創(chuàng)建Optional

Optional<Car> optCar = Optional.of(car);

如果car是一個null，這段代碼會立即拋出一個NullPointerException碍彭，而不是等到你試圖訪問car的屬性值時才返回一個錯誤晤硕。

3. 可接受null的Optional

Optional<Car> optCar = Optional.ofNullable(car);

4. 使用 map 從 Optional 對象中提取和轉(zhuǎn)換值

Optional<Insurance> optInsurance = Optional.ofNullable(insurance);
Optional<String> name = optInsurance.map(Insurance::getName);

5. 使用 flatMap 從 Optional 對象提取值

Optional<Insurance> optInsurance = Optional.ofNullable(insurance);
String name = optInsurance.flatMap(Insurance::getName);

那對上面的例子可以重新建模 exp:

public class Car {
    private Optional<Insurance> insurance;

    public Optional<Insurance> getInsurance() {
        return insurance;
    }

    public void setInsurance(Optional<Insurance> insurance) {
        this.insurance = insurance;
    }
}
////////////////
public class Person {

    private Optional<Car> car;

    public Optional<Car> getCar() {
        return car;
    }

    public void setCar(Optional<Car> car) {
        this.car = car;
    }
}
//////////////////////
public class Insurance {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

獲取保險公司名稱，如何使用Optional獲取呢庇忌？ exp:

public String getInstanceName1(Optional<Person> person) {
    if(person.isPresent()) {
        Optional<Car> car = person.get().getCar();
        if(car.isPresent()) {
            Optional<Insurance> insurance = car.get().getInsurance();
            if(insurance.isPresent()) {
                return insurance.get().getName();
            }
        }
    }
    return UNKNOWN_INSTANCE_NAME;
}

這種方式和null判斷本質(zhì)是一樣的舞箍，沒有解決問題。

**真正的解法 使用flatMap,map 來提取轉(zhuǎn)換值 exp: **

public String getInstanceName2(Optional<Person> person) {
    return person.flatMap(Person::getCar)
            .flatMap(Car::getInsurance)
            .map(Insurance::getName)
            .orElse(UNKNOWN_INSTANCE_NAME);
}

我們決定采用orElse方法讀取這個變量的值皆疹，使用這種方式你還可以定義一個默認值疏橄，遭遇空的Optional變量時，默認值會作為該方法的調(diào)用返回值。Optional類提供了多種方法讀取Optional實例中的變量值捎迫。

• get() 是這些方法中最簡單但又最不安全的方法晃酒。如果變量存在，它直接返回封裝的變量值窄绒，否則就拋出一個NoSuchElementException異常贝次。所以，除非你非常確定Optional變量一定包含值彰导，否則使用這個方法是個相當糟糕的主意浊闪。此外，這種方式即便相對于嵌套式的null檢查螺戳，也并未體現(xiàn)出多大的改進搁宾。
• orElse(T other) 它允許你在Optional對象不包含值時提供一個默認值。
• orElseGet(Supplier<? extends T> other)是orElse方法的延遲調(diào)用版倔幼，Supplier方法只有在Optional對象不含值時才執(zhí)行調(diào)用盖腿。如果創(chuàng)建默認值是件耗時費力的工作，你應(yīng)該考慮采用這種方式（借此提升程序的性能）损同，或者你需要非常確定某個方法僅在Optional為空時才進行調(diào)用翩腐，也可以考慮該方式（這種情況有嚴格的限制條件）。
• orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier)和get方法非常類似膏燃，它們遭遇Optional對象為空時都會拋出一個異常茂卦，但是使用orElseThrow你可以定制希望拋出的異常類型
• ifPresent(Consumer<? super T>) 讓你能在變量值存在時執(zhí)行一個作為參數(shù)傳入的方法，否則就不進行任何操作组哩。

兩個 Optional 對象的組合

假設(shè)你有這樣一個方法等龙，它接受一個Person和一個Car對象，并以此為條件對外
部提供的服務(wù)進行查詢伶贰，通過一些復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯蛛砰，試圖找到滿足該組合的最便宜的保險公司：

public Insurance findCheapestInsurance(Person person, Car car) {
    // 不同的保險公司提供的查詢服務(wù)
    // 對比所有數(shù)據(jù)
    return cheapestCompany;
}

設(shè)你想要該方法的一個null-安全的版本，它接受兩個Optional對象作為參數(shù)黍衙，
返回值是一個Optional<Insurance>對象泥畅，如果傳入的任何一個參數(shù)值為空，它的返回值亦為空 exp:

public Optional<Insurance> nullSafeFindCheapestInsurance(Optional<Person> person, Optional<Car> car) {
    if (person.isPresent() && car.isPresent()) {
        return Optional.of(findCheapestInsurance(person.get(), car.get()));
    } else {
        return Optional.empty();
    }
}

該方法的具體實現(xiàn)和你之前曾經(jīng)實現(xiàn)的null檢查太相似了,有沒有更優(yōu)雅的方案呢琅翻？
我們可以像使用三元操作符那樣位仁，無需任何條件判斷的結(jié)構(gòu)，以一行語句實現(xiàn)該方法方椎，代碼如下聂抢。exp:

public Optional<Insurance> nullSafeFindCheapestInsurance(Optional<Person> person, Optional<Car> car) {
    return person.flatMap(p -> car.map(c -> findCheapestInsurance(p, c)));
}

這段代碼中，你對第一個Optional對象調(diào)用flatMap方法辩尊，如果它是個空值涛浙，傳遞給它的Lambda表達式不會執(zhí)行，這次調(diào)用會直接返回一個空的Optional對象摄欲。反之轿亮，如果person對象存在，這次調(diào)用就會將其作為函數(shù)Function的輸入胸墙，并按照與flatMap方法的約定返回一個Optional<Insurance>對象我注。這個函數(shù)的函數(shù)體會對第二個Optional對象執(zhí)行map操作，如果第二個對象不包含car迟隅，函數(shù)Function就返回一個空的Optional對象但骨，整個nullSafeFindCheapestInsuranc方法的返回值也是一個空的Optional對象。最后智袭，如果person和car對象都存在奔缠，作為參數(shù)傳遞給map方法的Lambda表達式能夠使用這兩個值安全地調(diào)用原始的findCheapestInsurance方法，完成期望的操作吼野。

Optional類的方法

使用 Optional 的實戰(zhàn)示例

有效地使用Optional類意味著你需要對如何處理潛在缺失值進行全面的反思浅蚪。這種反思不僅僅限于你曾經(jīng)寫過的代碼，更重要的可能是烫罩，你如何與原生Java API實現(xiàn)共存共贏惜傲。實際上，我們相信如果Optional類能夠在這些API創(chuàng)建之初就存在的話贝攒，很多API的設(shè)計編寫可能會大有不同盗誊。為了保持后向兼容性，我們很難對老的Java API進行改動，讓它們也使用Optional哈踱，但這并不表示我們什么也做不了荒适。你可以在自己的代碼中添加一些工具方法，修復(fù)或者繞過這些問題开镣，讓你的代碼能享受Optional帶來的威力刀诬。exp:

1. 用 Optional 封裝可能為 null 的值,比如從map獲取值

Optional<Object> value = Optional.ofNullable(map.get("key"))

每次你希望安全地對潛在為null的對象進行轉(zhuǎn)換，將其替換為Optional對象時邪财，都可以考慮使用這種方法陕壹。

2. 異常與 Optional 的對比
   由于某種原因，函數(shù)無法返回某個值树埠，這時除了返回null糠馆， Java API比較常見的替代做法是拋出一個異常。exp: Integer.parseInt(String)如果String無法解析到對應(yīng)的整型怎憋，該方法就拋出一個NumberFormatException;我們可以空的Optional對象又碌，對遭遇無法轉(zhuǎn)換的String時返回的非法值進行建模。exp:

public static Optional<Integer> stringToInt(String s) {
    try {
        return Optional.of(Integer.parseInt(s));
    } catch (NumberFormatException e) {
        return Optional.empty();
    }
}

我們可以將多個類似的方法封裝到一個工具類中,如OptionalUtility.stringToInt.

注： 與 Stream 對象一樣盛霎，Optional也提供了類似的基礎(chǔ)類型——OptionalInt赠橙、 OptionalLong以及OptionalDouble。在Stream的場景愤炸，尤其是如果Stream對象包含了大量元素期揪，出于性能的考量，使用基礎(chǔ)類型是不錯的選擇规个，但對Optional對象而言凤薛，這個理由就不成立了，因為Optional對象最多只包含一個值诞仓。不推薦大家使用基礎(chǔ)類型的Optional缤苫，因為基礎(chǔ)類型的Optional不支持map、flatMap以及filter方法墅拭，而這些卻是Optional類最有用的方法活玲，此外，與Stream一樣谍婉， Optional對象無法由基礎(chǔ)類型的Optional組合構(gòu)成

把所有內(nèi)容整合起來

Properties props = new Properties();
props.setProperty("a", "5");
props.setProperty("b", "true");
props.setProperty("c", "-3");

現(xiàn)在舒憾，我們假設(shè)你的程序需要從這些屬性中讀取一個值，該值是以秒為單位計量的一段時間穗熬。由于一段時間必須是正數(shù)镀迂，你想要該方法符合下面的簽名：

public int readDuration(Properties props, String name)

如果以命令式編程的方式從屬性中讀取duration值，exp:

public int readDuration(Properties props, String name) {
    String value = props.getProperty(name);
    if (value != null) {
        try {
            int i = Integer.parseInt(value);
            if (i > 0) {
                return i;
            }
        } catch (NumberFormatException nfe) { }
    }
    return 0;
}

可以看出最終的實現(xiàn)既復(fù)雜又不具備可讀性唤蔗，呈現(xiàn)為多個由if語句及try/catch
塊兒構(gòu)成的嵌套條件探遵。

以O(shè)ptional來實現(xiàn)呢exp:

public int readDuration(Properties props, String name) {
    return Optional.ofNullable(props.getProperty(name))
        .flatMap(OptionalUtility::stringToInt)
        .orElse(0);
}

Optional 問題

在域模型中使用Optional窟赏，由于沒有實現(xiàn)Serializable 接口，不能進行序列化

小結(jié)

• null引用在歷史上被引入到程序設(shè)計語言中箱季，目的是為了表示變量值的缺失涯穷。
• Java 8中引入了一個新的類java.util.Optional<T>，對存在或缺失的變量值進行建模规哪。
• 你可以使用靜態(tài)工廠方法Optional.empty求豫、Optional.of以及Optional.ofNullable創(chuàng)建Optional對象塌衰。
• Optional類支持多種方法诉稍，比如map、flatMap最疆、filter杯巨，它們在概念上與Stream類中對應(yīng)的方法十分相似。
• 使用Optional會迫使你更積極地解引用Optional對象努酸，以應(yīng)對變量值缺失的問題服爷，最終，你能更有效地防止代碼中出現(xiàn)不期而至的空指針異常获诈。
• 使用Optional能幫助你設(shè)計更好的API仍源，用戶只需要閱讀方法簽名，就能了解該方法是否接受一個Optional類型的值舔涎。