Java 8 Optional取代null

Posted 2020-12-28 海盗屋

　　NullPointerException,大家应该都见过。这是Tony Hoare在设计ALGOL W语言时提出的null引用的想法，他的设计初衷是想通过编译器的自动检测机制，确保所有使用引用的地方都是绝对安全的。很多年后，他对自己曾经做过的这个决定而后悔不已，把它称为“我价值百万的重大失误”。它带来的后果就是---我们想判断一个对象中的某个字段进行检查，结果发现我们查看的不是一个对象，而是一个空指针，他会立即抛出NullPointerException异常。

 

看下面这个例子：

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;
    }
}

下面这个方法有什么问题呢？

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

这是一个获取保险公司名字的方法，但是在库里可能很多人没有车，所以会返回null引用。更没有车险，所以直接返回一个NullPointerException。

为了避免这种情况，我们一般会在需要的地方添加null的检查，并且添加的方式往往不同。

 

避免NullPointerException第一次尝试：

    public String getCarInsuranceName(Person p){
        if(p != null){
            Car car = p.getCar();
            if(car != null){
                Insurance insurance = car.getInsurance();
                if(insurance != null){
                    return insurance.getName();
                }
            }
        }
        return "Unknown";
    }

 这个方法每次引用一个变量时，都会做一次null检查，如果任何一个返回值为null，则会返回Unknown。因为知道公司都必须有名字，所以最后一个保险公司的名字没有进行判断。这种方式不具备扩展性，同时还牺牲了代码的可读性。每一次都要嵌套一个if来进行检查。

 

避免NullPointerException第二次尝试：

    public String getCarInsuranceName(Person p) {
        if (p == null) return "Unknown";
        Car car = p.getCar();
        if (car == null) return "Unknown";
        Insurance insurance = car.getInsurance();
        if (insurance == null) return "Unknown";
        return insurance.getName();
    }

第二种方式，避免了深层if语句块，采用了每次遇到null都直接返回Unknown字符串的方式。然后这个方案也并非理想，现在这个方法有了四个截然不同的退出点，使代码的维护更艰难。发生null时的默认值，在三个不同的地方出现，不知道具体是哪个返回null。

 

Optional类

　　Java 8中引入了一个新的类java.util.Optional<T>。这是一个封装Optional值的类。当变量存在时，Optional类知识对类简单封装，变量不存在时，缺失的值被建模成一个空的Optional对象，由方法Optional.empty()返回。该方法是一个静态工厂方法，返回Optional类的特定单一实例。

　　null和Optional.empty()从语义上，可以当做是一回事。实际上它们之间的差别非常大：如果你尝试访问一个null，一定会触发null引用。而Optional.empty()可以在任何地方访问。

public class Person {
    private Optional<Car> car;

    public Optional<Car> getCar() {
        return car;
    }
}
public class Car {
    private Optional<Insurance> insurance;

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

公司的名字我们没有使用Optional<String> 而是保持了原类型String，那么它就必须设置一个值。

 

创建Optional对象

　　1.声明一个空的Optional

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

　　2.依据一个非空值创建Optional

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

　　如果car是null，则直接会报错null引用，而不是等到你访问时。

　　3.可接受null的Optional，这种方式与of不同，编译器运行时不会报错。

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

　　

使用map从Optional对象中提取和转换值

　　从对象中读取信息是一种比较常见的模式。比如，你可以从insurance公司对象中提取公司的名称。提取名称之前你需要检查insurance对象是否为null，如：

String name = null;
if(insurance != null){
    name = insurance.getName();    
}

为了支持这种模式，Optional提供了一个map方法。

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

这里的map和流中的map相差无几。map操作会将提供的函数应用于流的每个元素。你可以把Optional对象看成一种特殊的集合数据。如图：

这看齐来挺有用，但是如何应用起来，重构之前的代码呢？

p.getCar().getInsurance().getName();

 

使用flatMap链接Optional对象

　　使用刚刚的学习的map，第一反应是重写之前的代码，比如这样：

Optional<Person> person = Optional.of(p);
        Optional<String> name = person
                .map(Person::getCar)
                .map(Car::getInsurance)
                .map(Insurance::getName);

但是这段代码无法通过编译，person是Optional<Person>类型的变量，调用map方法没有问题，但是getCar返回的是一个Optional<Car>类型的对象，这意味着map操作的结果的结果是一个Optional<Optinoal<Car>>类型的对象。 因此它调用getInsurance是非法的。

在流中使用flatMap可以扁平化合并流，在这里你想把两层的Optional合并为一个。

    public String getCarInsuranceName(Person p) {
        Optional<Person> person = Optional.of(p);
        return person
                .flatMap(Person::getCar)
                .flatMap(Car::getInsurance)
                .map(Insurance::getName)
                .orElse("Unknown");
    }

　　通过代码的比较，处理潜在可能缺失的值时，使用Optional具有明显的优势。你可以非常容易实现期望的效果，不需要写那么多的条件分支，也不会增加代码的复杂性。

首先，Optional.of(p) 生成Optional<person>对象，然后调用person.flatMap(Person::GetCar)返回一个Optional<Car> 对象，Optional内的Person也被转换成了这种对象，结果就是两层的Optional对象，最终他们会被flatMap操作合并起来。如果合并时其中有一个为空，那么就构成一个空的Optional对象。如果给一个空的Optional对象调用flatMap返回的也是空的Optional对象。

然后，flatMap(Car::getInsurance) 会转换成Optional<Insurance> 合并。 第三步 这里调用的是map方法，因为返回类型是string 就不需要flatMap了。如果连上的任何一个结果为空就返回空，否则返回的值就是期望的值。 所以最后用了一个orElse的方法，当Optional为空的时候返回一个默认值。

 

获取Optional对象的值：

　　1. get() 是这些方法中最简单但最不安全的方法。如果变量存在，直接返回封装的变量值。否则抛出一个NoSuchElementException异常。

　　2. orElse(T other) 默认值，当值存在返回值，否则返回此默认值。

　　3. orElseGet(Supplier<? extends T> other) 是orElse方法的延迟调用版，Supplier方法只有在Optional对象不含值时才执行调用。

　　4. orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier )和get方法相似，遇到Optional对象为空时都抛出一个异常，使用orElseThrow可以自定义异常类型。

　　5. ifPresent(Consumer<? super T>) 在变量值存在时执行，否则什么都不做。

  

判断Optional是否有值 isPresent()

假设有一个方法，接受两个参数 Person 和Car 来查询便宜的保险公司：

    public Insurance getInsurance(Person person ,Car car){
        //业务逻辑
        return new Insurance();
    }

这是以前的版本，使用我们今天所学的知识 可以做一个安全版本，它接受两个Optional对象作为参数 返回值也是一个Optional<Insurance>方法：

public static Optional<Insurance> getInsuranceOpt(Optional<Person> person,Optional<Car> car){
        if(person.isPresent() && car.isPresent()){
            return Optional.of(getInsurance(person.get(),car.get()));
        }
        return Optional.empty();
    }

这看起来好了很多，更优雅的方式：

    public static Optional<Insurance> getInsuranceOpt1(Optional<Person> person, Optional<Car> car) {
        return person.flatMap(p -> car.map(c -> getInsurance(p, c)));
    }

如果p为空，不会执行返回空的Optional对象。如果car为空也不会执行 返回空Optional对象。 如果都有值那么调用这个方法。

 

filter剔除特定的值

　　除了map和flatMap方法类似流中的操作，还有filter方法。使用filter可以快速判断Optional对象中是否包含指定的规则，如：

Insurance insurance = new Insurance();
if(insurance != null && insurance.getName().equals("abc")){
     System.out.println("is abc");
}

可以使用filter改写为：

Optional<Insurance> insuranceOpt = Optional.of(insurance);
insuranceOpt.filter(c->c.getName().equals("abc")).ifPresent(x->System.out.println(x));

 

用Optional改善你的代码

　　我们虽然很难对老的Java API进行改动，但是可以再自己的代码中添加一些工具方法，来修复或者绕过这些问题，容纳给你的代码享有Optional带来的威力。

 

使用Optional封装可能为null的值

　　现存的Java API几乎都是通过返回一个null的方式来表示需要值的缺失，或者由于某些原因计算无法得到该值。比如，如果Map中不含指定的键对应的值，它的get就会返回一个null。我们想在这种情况下返回Optional对象是很容易的。

Object value = new HashMap<String,Object>().get("key"); //null

有两种方式转换为Optional对象，第一种就是if else 方式，显然很笨重。第二种就是使用ofNullable方法。

Optional<Object> value = Optional.ofNullable(new HashMap<String,Object>().get("key"));

每次你希望安全的对潜在为null的对象进行转换时，都可以先将其转换为Optional对象。

 

异常与Optional

　　由于某种原因，函数无法返回某个值，这时除了返回null，还会抛出一个异常。典型的例子是Integer.parseInt(String)，将String转换为int。如果String无法解析为整型，就会抛出NumberFormatException异常。一般做这个操作，我们会加入 try/catch来避免程序挂掉，而不是用if来判断。

　　使用Optional对象对遭遇无法转换的String返回非法值进行建模，这时你期望parseInt的返回值是一个optional。虽然我们无法改变以前的方法，但我们可以创建一个工具方法：

    public static Optional<Integer> StringToInt(String s){
        try{
            return Optional.of(Integer.parseInt(s));
        }catch (Exception ex){
            return Optional.empty();
        }
    }

我们可以建立一个OptionalUtils工具类，然后对所有的类似转换操作创建方法。然后在需要的地方 OptionalUtils.StringToInt(Stirng);

 

基础类型的Optional对象

　　与Stream对象一样，Optional对象也提供了类似的基础类型：OptionalInt、OptionalDouble、OptionalLong。 但是这三个基础类型不支持map、flatMap、filter方法。

 

小结：

　　1.null引用在历史上被引入到程序设计语言中，目的是为了表示变量值的缺失。

　　2.Java 8中加入了一个新的类 java.util.Optional<T> 对存在或缺失的变量进行建模。

　　3.你可以使用静态工厂方法Optional.empty、Optional.of、Optional.ofNullable创建Optional对象。

　　4.Optional支持多种方法，比如map、flatMap、filter，他们在概念上与Stream类似。

　　5.使用Optional会迫使你更积极的引用Optional对象，以及应对变量缺失的问题，最终你能更有效的防治代码中出现空指针异常。

　　6.使用Optional能帮助你更好的设计API，用户只需要参阅签名酒知道该方法是否接受一个Optional。