厭倦了空指針異常？ 考慮使用Java SE 8的Optional分扎！使代碼更具可讀性并使得免受空指針異常的影響馍资。
有人曾經(jīng)說(shuō)過(guò)悲没，在未處理空指針異常之前，你不是真正的Java程序員聊替。 開(kāi)玩笑說(shuō)，空引用是許多問(wèn)題的根源，因?yàn)樗ǔ１硎救鄙僦怠?Java SE 8引入了一個(gè)名為java.util.Optional的新類眶拉，可以緩解一些這樣的問(wèn)題。
讓我們從一個(gè)例子開(kāi)始憔儿，看看空指針的危險(xiǎn)性忆植。 下面是一個(gè)計(jì)算機(jī)的嵌套對(duì)象結(jié)構(gòu)，如圖所示：

嵌套對(duì)象結(jié)構(gòu)

String version = computer.getSoundcard().getUSB().getVersion();

這段代碼看起來(lái)沒(méi)什么問(wèn)題呀朝刊。但是，好多計(jì)算機(jī)（比如Raspberry Pi)實(shí)際上并沒(méi)有安裝聲卡（sound card）蜈缤，那么getSoundcard()得到得結(jié)果是什么呢拾氓？
那么一般來(lái)說(shuō)是返回空引用表示沒(méi)有聲卡。 不幸的是劫樟，getUSB()將嘗試返回空引用的USB端口痪枫，這將在運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致NullPointerException织堂，程序奔潰。 想象一下奶陈，如果你的程序在生產(chǎn)環(huán)境上運(yùn)行; 如果程序突然報(bào)錯(cuò)易阳，你的客戶會(huì)有什么反應(yīng)？
空指針是有一些歷史背景吃粒，計(jì)算機(jī)科學(xué)巨頭Tony Hoare寫道： "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."
怎么做才能防止空指針異常發(fā)生呢潦俺？你可以通過(guò)判斷是否為null來(lái)防止NullPointerException，如下所示：

例1
String version = "UNKNOWN";
if(computer != null){
  Soundcard soundcard = computer.getSoundcard();
  if(soundcard != null){
    USB usb = soundcard.getUSB();
    if(usb != null){
      version = usb.getVersion();
    }
  }
}

但是徐勃，通過(guò)例1我們看到事示，代碼由于嵌套檢查變得非常難看。不幸的是僻肖，我們需要很多這樣得代碼來(lái)確保不會(huì)發(fā)生NullPointerException肖爵。 此外，業(yè)務(wù)邏輯中若含有這些檢查臀脏，會(huì)讓我們很是厭煩劝堪。 事實(shí)上，這些代碼也降低我們系統(tǒng)的整體可讀性揉稚。
此外秒啦，嵌套檢查也是一個(gè)容易出錯(cuò)的過(guò)程; 如果你忘記檢查一個(gè)屬性是否為空怎么辦？ 本文將論證使用null表示空值是一種錯(cuò)誤的方法搀玖。 我們需要一種更好的方法來(lái)表達(dá)空值和非空值余境。
為了給出一些上下文，讓我們簡(jiǎn)要介紹一下其他編程語(yǔ)言提供的解決方式灌诅。

其他語(yǔ)言的替代方案是什么芳来？

例如Groovy、C#等語(yǔ)言有一個(gè)由"?."表示的安全導(dǎo)航操作符猜拾，用來(lái)保護(hù)出現(xiàn)在屬性路徑中 null 值绣张。如下所示：

String version = computer?.getSoundcard()?.getUSB()?.getVersion();

在這種情況下，如果computer為null关带，則變量version 將被賦值為null，或者getSoundcard() 返回null沼撕，或者getUSB()返回null宋雏。 你不需要編寫復(fù)雜的嵌套條件來(lái)檢查是否為null。
此外务豺，Groovy還包括Elvis運(yùn)算符"?:"（至于為什么叫Elvis運(yùn)算符磨总，是因?yàn)??:'跟一個(gè)叫Elvis的搖滾明星(貓王)的發(fā)型很像。）笼沥，當(dāng)需要默認(rèn)值時(shí)蚪燕，使用Elvis運(yùn)算符會(huì)使表達(dá)式更簡(jiǎn)潔娶牌。 下面，如果使用安全導(dǎo)航操作符的表達(dá)式返回null馆纳，則返回默認(rèn)值"UNKNOWN"; 否則诗良，返回可用的version。如下所示：

String version = 
    computer?.getSoundcard()?.getUSB()?.getVersion() ?: "UNKNOWN";

其他函數(shù)語(yǔ)言（如Haskell和Scala）采用不同的解決方案鲁驶。 Haskell包含一個(gè)Maybe類型鉴裹，它基本上封裝了一個(gè)可選值。 Maybe類型的值可以包含給定類型的值钥弯，也可以不包含任何值径荔，沒(méi)有空引用的概念。 Scala有一個(gè)名為Option[T]的類似構(gòu)造來(lái)封裝類型T值的存在或缺失脆霎。然后总处，你必須使用Option顯式檢查是否存在值，這強(qiáng)制了"null checking.". 你再也不能“忘記這樣做”睛蛛，因?yàn)樗怯深愋拖到y(tǒng)強(qiáng)制執(zhí)行的鹦马。
好吧，我們似乎偏離了主題玖院，而且這些聽(tīng)起來(lái)都相當(dāng)抽象菠红。 你現(xiàn)在可能會(huì)想，“那么难菌，Java SE 8呢试溯？”

Optional 介紹

Java SE 8引入了一個(gè)名為 java.util.Optional<T>的新類，受Haskell和Scala思想的啟發(fā)郊酒。 它是一個(gè)封裝可選值的類遇绞，你可以將Optional視為一個(gè)單值容器，可以包含值燎窘，也不包含值的（然后將其視為“空” ）摹闽。如圖所示：

An optional sound card

例2
public class Computer {
  private Optional<Soundcard> soundcard;  
  public Optional<Soundcard> getSoundcard() { ... }
  ...
}

public class Soundcard {
  private Optional<USB> usb;
  public Optional<USB> getUSB() { ... }

}

public class USB{
  public String getVersion(){ ... }
}

例2中的代碼立即顯示計(jì)算機(jī)可能有聲卡,也可能沒(méi)有聲卡（聲卡是可選的）褐健。 此外付鹿，聲卡可以選配USB端口。 這是一種改進(jìn)蚜迅，因?yàn)檫@個(gè)新模型現(xiàn)在可以清楚地反映出是否允許丟失給定值舵匾。 請(qǐng)注意，類似的想法已在諸如Guava等類庫(kù)中早已提供谁不。
但是我們以用Optional<Soundcard>對(duì)象實(shí)際做些什么呢坐梯？ 最終只是想要獲得USB端口的版本號(hào)。 簡(jiǎn)而言之刹帕，Optional類包括處理存在或不存在值的情況的方法吵血。 但是谎替，與空引用（null）相比的優(yōu)點(diǎn)是：Optional類強(qiáng)制你在值不存在時(shí)考慮該情況。 因此蹋辅，你能更有效地防止代碼中出現(xiàn)不期而至的空指針異常钱贯。
值得注意的是，Optional類的意圖不是替換空引用晕翠。 相反喷舀，它的目的是幫助設(shè)計(jì)更易于理解的API，這樣只需讀取方法的簽名淋肾，就能了解該方法是否接受一個(gè)Optional類型的值硫麻。 這會(huì)強(qiáng)制你主動(dòng)解包Optional以處理空值。

采用Optional模式

廢話我們就不多說(shuō)了; 讓我們看看代碼吧樊卓！ 首先我們將探討如何使用Optional重寫典型的空檢查模式拿愧。 在本文結(jié)束時(shí)，你將了解如何使用Optional來(lái)重寫例1中執(zhí)行多個(gè)嵌套空檢查碌尔，如下所示:

String name = computer.flatMap(Computer::getSoundcard)
                          .flatMap(Soundcard::getUSB)
                          .map(USB::getVersion)
                          .orElse("UNKNOWN");

Note: 確保了解Java SE 8 lambdas和方法引用語(yǔ)法（請(qǐng)參閱Java 8：Lambdas）及其流管道概念（請(qǐng)參閱使用Java SE 8 Streams處理數(shù)據(jù)）浇辜。

創(chuàng)建Optional對(duì)象

首先，如何創(chuàng)建Optional對(duì)象呢唾戚？ 有如下幾種方法：

1. 聲明一個(gè)空的Optional

Optional<Soundcard> sc = Optional.empty();

2. 依據(jù)一個(gè)非空值創(chuàng)建Optional

SoundCard soundcard = new Soundcard();
Optional<Soundcard> sc = Optional.of(soundcard); 

如果soundcard是一個(gè)null柳洋，這段代碼會(huì)立即拋出一個(gè)NullPointerException，而不是等到你試圖訪問(wèn)soundcard 的屬性值時(shí)才返回一個(gè)錯(cuò)誤叹坦。

3. 可接受null的Optional
   最后熊镣，使用靜態(tài)工廠方法Optional.ofNullable，你可以創(chuàng)建一個(gè)允許null值的Optional 對(duì)象：

Optional<Soundcard> sc = Optional.ofNullable(soundcard); 

如果Soundcard是null募书，那么得到的Optional對(duì)象就是個(gè)空對(duì)象绪囱。

如果值存在，那么就做點(diǎn)什么吧

現(xiàn)在你有了一個(gè)Optional對(duì)象莹捡，你可以使用可用的方法來(lái)顯式處理其值鬼吵，無(wú)論值存在與否。 而不是必須進(jìn)行空檢查篮赢，如下所示：

SoundCard soundcard = ...;
if(soundcard != null){
  System.out.println(soundcard);
}

上訴代碼你可以使用* ifPresent()*進(jìn)行重寫齿椅，如下所示：

Optional<Soundcard> soundcard = ...;
soundcard.ifPresent(System.out::println);

你無(wú)需再進(jìn)行顯式空檢查; 它由類型系統(tǒng)強(qiáng)制執(zhí)行。 如果Optional對(duì)象為空启泣，則不會(huì)打印任何內(nèi)容媒咳。
你可以使用isPresent()方法來(lái)判斷Optional對(duì)象中是否存在值。此外种远，還由一個(gè)get()方法，顽耳。如果變量存在坠敷，它直接返回封裝的變量 值妙同，否則就拋出一個(gè)NoSuchElementException異常。這兩個(gè)方法組合使用膝迎，可以防止異常的發(fā)生粥帚。如下所示：

if(soundcard.isPresent()){
  System.out.println(soundcard.get());
}

但是，這不是Optional的推薦用法（它對(duì)嵌套空值檢查沒(méi)有太大改進(jìn)）限次，還有更好的替代方案芒涡，我們將在下面討論。

默認(rèn)行為及解引用 Optional 對(duì)象

如果返回值為null卖漫，通常的處理方式是給定一個(gè)默認(rèn)值费尽。 一般來(lái)說(shuō)，你可以使用三元運(yùn)算符來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的羊始，如下所示：

Soundcard soundcard = 
  maybeSoundcard != null ? maybeSoundcard 
            : new Soundcard("basic_sound_card");

使用Optional對(duì)象, 你可以使用orElse()方法重寫上面的代碼 旱幼，使用這種方式你還可以定義一個(gè)默認(rèn)值，遭遇空的Optional變量時(shí)突委，默認(rèn)值會(huì)作為該方法的調(diào)用返回值柏卤。如下所示:

Soundcard soundcard = maybeSoundcard.orElse(new Soundcard("defaut"));

同理，你也可以使用orElseThrow()方法匀油，與orElse()方法不同的是缘缚，使用orElseThrow()時(shí)，當(dāng)遭遇Optional對(duì)象為空時(shí)都會(huì)拋出一個(gè)異常敌蚜，但是使用orElseThrow你可以定制希 望拋出的異常類型桥滨。 如下所示:

Soundcard soundcard = 
  maybeSoundCard.orElseThrow(IllegalStateException::new);

使用filter 剔除特定的值

你經(jīng)常需要調(diào)用某個(gè)對(duì)象的方法，查看它的某些屬性钝侠。比如该园，你可能需要檢查USB端口是否為3.0版本。為了以一種安全的方式進(jìn)行這些操作帅韧，你首先需要確定引用指向的USB 對(duì)象是否為null里初，之后再調(diào)用它的getVersion()方法，如下所示：

USB usb = ...;
if(usb != null && "3.0".equals(usb.getVersion())){
  System.out.println("ok");
}

使用Optional對(duì)象的filter方法忽舟，這段代碼可以重構(gòu)如下:

Optional<Insurance> optInsurance = ...; optInsurance.filter(insurance ->                         "CambridgeInsurance".equals(insurance.getName()))             .ifPresent(x -> System.out.println("ok"));

filter方法接受一個(gè)謂詞作為參數(shù)双妨。如果Optional對(duì)象的值存在，并且它符合謂詞的條件叮阅， filter方法就返回其值刁品；否則它就返回一個(gè)空的Optional對(duì)象。你可以將 Optional看成包含一個(gè)元素的Stream對(duì)象浩姥，這個(gè)方法的行為就非常清晰了挑随。如果Optional 對(duì)象為空，它不做任何操作勒叠，反之兜挨，它就對(duì)Optional對(duì)象中包含的值施加謂詞操作膏孟。如果該操 作的結(jié)果為true，它不做任何改變拌汇，直接返回該Optional對(duì)象柒桑，否則就將該值過(guò)濾掉，將 Optional的值置空噪舀。

使用map 從 Optional 對(duì)象中提取和轉(zhuǎn)換值

從對(duì)象中提取信息是一種比較常見(jiàn)的模式魁淳。比如，你可能想要從Soundcard 對(duì)象中提取USB對(duì)象与倡。提取之前界逛，你需要檢查Soundcard對(duì)象是否為null，然后進(jìn)一步檢查它的version是否正確蒸走，你可能會(huì)寫如下代碼：

if(soundcard != null){
  USB usb = soundcard.getUSB();
  if(usb != null && "3.0".equals(usb.getVersion()){
    System.out.println("ok");
  }
}

我們可以使用map方法重寫這種 "checking for null and extracting" （這里是Soundcard對(duì)象）的模式仇奶。

Optional<Soundcard> maybeSoundcard= Optional.ofNullable(soundcard); Optional<USB> usb = maybeSoundcard.map(Soundcard::getUSB);

從概念上，這與Stream的map方法相差無(wú)幾比驻。map操作會(huì)將提供的函數(shù)應(yīng)用于流的每個(gè)元素该溯。如 果Stream為空，就什么也不做别惦。
Optional類的map方法完全相同：你可以把Optional對(duì)象看成一種特殊的集合數(shù)據(jù)狈茉，它至多包含一個(gè)元素。如果Optional包含一個(gè)值掸掸，那函數(shù)（這里是提取USB端口的方法引用）就將該值作為參數(shù)傳遞給map氯庆，對(duì)該值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如果Optional為空扰付，就什么也不做堤撵。
最后，我們可以結(jié)合map方法和filter方法重寫上面的代碼羽莺，剔除版本不同于3.0的USB端口：

maybeSoundcard.map(Soundcard::getUSB)
      .filter(usb -> "3.0".equals(usb.getVersion())
      .ifPresent(() -> System.out.println("ok"));

真棒; 我們的代碼開(kāi)始更接近問(wèn)題陳述实昨，并且沒(méi)有重復(fù)的嵌套空檢查妨礙我們！

使用flatMap 鏈接 Optional 對(duì)象

我們已經(jīng)使用Optional重構(gòu)了一些以前的代碼盐固，那么我們?nèi)绾我园踩姆绞骄帉懸韵麓a呢荒给？

String version = computer.getSoundcard().getUSB().getVersion();

請(qǐng)注意，這些代碼的意思都是從另一個(gè)對(duì)象中提取一個(gè)對(duì)象刁卜，這正是map方法的用處志电。 在本文前面，我們更改了model蛔趴，因此Computer具有Optional<Soundcard>挑辆，Soundcard 具有 Optional<USB>，因此我們可以利用map重寫之前的代碼：

String version = computer.map(Computer::getSoundcard)
                  .map(Soundcard::getUSB)
                  .map(USB::getVersion)
                  .orElse("UNKNOWN");

不幸的是，這段代碼無(wú)法通過(guò)編譯之拨。為什么呢茉继？computer是 Optional<Computer>類型的變量， 調(diào)用map方法應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題蚀乔。但getSoundcard() 返回的是一個(gè)Optional<Soundcard>類型的對(duì)象，這意味著map操作的結(jié)果是一個(gè)Optional<Optional<Soundcard>>類型的對(duì)象菲茬。因 此吉挣，它對(duì)getUSB()的調(diào)用是非法的，因?yàn)樽钔鈱拥膐ptional對(duì)象包含了另一個(gè)optional 對(duì)象的值婉弹，而它當(dāng)然不會(huì)支持e getUSB()方法睬魂。下圖說(shuō)明了你會(huì)遭遇的嵌套式optional 結(jié)構(gòu)。

A two-level Optional

所以镀赌，我們?cè)撊绾谓鉀Q這個(gè)問(wèn)題呢氯哮？讓我們?cè)倩仡櫼幌略诹魃鲜褂眠^(guò)的模式： flatMap方法。使用流時(shí)商佛，flatMap方法接受一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)喉钢，這個(gè)函數(shù)的返回值是另一個(gè)流。 這個(gè)方法會(huì)應(yīng)用到流中的每一個(gè)元素良姆，終形成一個(gè)新的流的流肠虽。但是flagMap會(huì)用流的內(nèi)容替 換每個(gè)新生成的流。換句話說(shuō)玛追，由方法生成的各個(gè)流會(huì)被合并或者扁平化為一個(gè)單一的流税课。這里你希望的結(jié)果其實(shí)也是類似的，但是你想要的是將兩層的optional合并為一個(gè)痊剖。
好吧韩玩，這是個(gè)好消息：Optional也支持flatMap方法。 它的目的是將轉(zhuǎn)換函數(shù)應(yīng)用于Optional的值（就像map操作一樣）陆馁，然后將兩層的optional合并為一個(gè)找颓。 下圖說(shuō)明了transform函數(shù)返回Optional對(duì)象時(shí)map和flatMap之間的區(qū)別。

Using map versus flatMap with Optional

因此氮惯，相信現(xiàn)在你已經(jīng)對(duì)Optional的map和flatMap方法有了一定的了解叮雳，讓我們看看如何應(yīng)用。我們需要使用flatMap重寫上面的代碼妇汗，如下所示：

String version = computer.flatMap(Computer::getSoundcard)
                   .flatMap(Soundcard::getUSB)
                   .map(USB::getVersion)
                   .orElse("UNKNOWN");

第一個(gè)flatMap確保返回Optional<Soundcard> 對(duì)象帘不，而不是Optional<Optional<Soundcard>>，同理杨箭，第二個(gè)flatMap返回 Optional<USB>對(duì)象寞焙。 請(qǐng)注意，第三個(gè)調(diào)用需要map()方法，因?yàn)間etVersion()返回String對(duì)象捣郊，而不是Optional對(duì)象辽狈。
哇！ 從編寫痛苦的嵌套空檢查到編寫組合代碼呛牲，再到可讀性強(qiáng)刮萌，更有效地防止代碼中出現(xiàn)不期而至的空指針異常，我們已經(jīng)做的越來(lái)越好了娘扩。

結(jié)論

在本文中着茸，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何采用新的Java SE 8 java.util.Optional<T>。 Optional的目的不是替換代碼中的每個(gè)空引用琐旁，而是幫助設(shè)計(jì)更好的API涮阔，只需讀取方法的簽名 - 就能了解該方法是否接受一個(gè)Optional類型的值。 此外灰殴，Optional強(qiáng)制主動(dòng)解包Optional以處理空值; 因此敬特，可以保護(hù)代碼免受意外的空指針異常的影響。
相關(guān)代碼請(qǐng)參見(jiàn)我的github optionalExample

附錄：