摘要：是第一批在堆上分配記錄的類型語言之一。實際上，的這段話低估了過去五十年來數(shù)百萬程序員為修復空引用所耗費的代價。很明顯，這種方式不具備擴展性，同時還犧牲了代碼的可讀性。是目前程序開發(fā)中最典型的異常。完成這一任務有多種方法。

如果你作為Java程序員曾經(jīng)遭遇過NullPointerException，請舉起手。如果這是你最常遭遇的異常，請繼續(xù)舉手。非常可惜，這個時刻，我們無法看到對方，但是我相信很多人的手這個時刻是舉著的。我們還猜想你可能也有這樣的想法：“毫無疑問，我承認，對任何一位Java程序員來說，無論是初出茅廬的新人，還是久經(jīng)江湖的專家，NullPointerException都是他心中的痛，可是我們又無能為力，因為這就是我們?yōu)榱耸褂梅奖闵踔敛豢杀苊獾南駈ull引用這樣的構造所付出的代價。”這就是程序設計世界里大家都持有的觀點，然而，這可能并非事實的全部真相，只是我們根深蒂固的一種偏見。

1965年，英國一位名為Tony Hoare的計算機科學家在設計ALGOL W語言時提出了null引用的想法。ALGOL W是第一批在堆上分配記錄的類型語言之一。Hoare選擇null引用這種方式，“只是因為這種方法實現(xiàn)起來非常容易”。雖然他的設計初衷就是要“通過編譯器的自動檢測機制，確保所有使用引用的地方都是絕對安全的”，他還是決定為null引用開個綠燈，因為他認為這是為“不存在的值”建模最容易的方式。很多年后，他開始為自己曾經(jīng)做過這樣的決定而后悔不迭，把它稱為“我價值百萬的重大失誤”。我們已經(jīng)看到它帶來的后果——程序員對對象的字段進行檢查，判斷它的值是否為期望的格式，最終卻發(fā)現(xiàn)我們查看的并不是一個對象，而是一個空指針，它會立即拋出一個讓人厭煩的NullPointerException異常。

實際上，Hoare的這段話低估了過去五十年來數(shù)百萬程序員為修復空引用所耗費的代價。近十年出現(xiàn)的大多數(shù)現(xiàn)代程序設計語言，包括Java，都采用了同樣的設計方式，其原因是為了與更老的語言保持兼容，或者就像Hoare曾經(jīng)陳述的那樣，“僅僅是因為這樣實現(xiàn)起來更加容易”。讓我們從一個簡單的例子入手，看看使用null都有什么樣的問題。

假設你需要處理下面這樣的嵌套對象，這是一個擁有汽車及汽車保險的客戶。

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; }
}

那么，下面這段代碼存在怎樣的問題呢？

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

這段代碼看起來相當正常，但是現(xiàn)實生活中很多人沒有車。所以調(diào)用getCar方法的結果會怎樣呢？在實踐中，一種比較常見的做法是返回一個null引用，表示該值的缺失，即用戶沒有車。而接下來，對getInsurance的調(diào)用會返回null引用的insurance，這會導致運行時出現(xiàn)一個NullPointerException，終止程序的運行。但這還不是全部。如果返回的person值為null會怎樣？如果getInsurance的返回值也是null，結果又會怎樣？

怎樣做才能避免這種不期而至的NullPointerException呢？通常，你可以在需要的地方添加null的檢查（過于激進的防御式檢查甚至會在不太需要的地方添加檢測代碼），并且添加的方式往往各有不同。下面這個例子是我們試圖在方法中避免NullPointerException的第一次嘗試。

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

這個方法每次引用一個變量都會做一次null檢查，如果引用鏈上的任何一個遍歷的解變量值為null，它就返回一個值為“Unknown”的字符串。唯一的例外是保險公司的名字，你不需要對它進行檢查，原因很簡單，因為任何一家公司必定有個名字。注意到了嗎，由于你掌握業(yè)務領域的知識，避免了最后這個檢查，但這并不會直接反映在你建模數(shù)據(jù)的Java類之中。

我們將上面的代碼標記為“深層質(zhì)疑”，原因是它不斷重復著一種模式：每次你不確定一個變量是否為null時，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)。很明顯，這種方式不具備擴展性，同時還犧牲了代碼的可讀性。面對這種窘境，你也許愿意嘗試另一種方案。下面的代碼清單中，我們試圖通過一種不同的方式避免這種問題。

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

第二種嘗試中，你試圖避免深層遞歸的if語句塊，采用了一種不同的策略：每次你遭遇null變量，都返回一個字符串常量“Unknown”。然而，這種方案遠非理想，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。更糟的是，發(fā)生null時返回的默認值，即字符串“Unknown”在三個不同的地方重復出現(xiàn)——出現(xiàn)拼寫錯誤的概率不小！當然，你可能會說，我們可以用把它們抽取到一個常量中的方式避免這種問題。

進一步而言，這種流程是極易出錯的；如果你忘記檢查了那個可能為null的屬性會怎樣？通過這一章的學習，你會了解使用null來表示變量值的缺失是大錯特錯的。你需要更優(yōu)雅的方式來對缺失的變量值建模。

讓我們一起回顧一下到目前為止進行的討論，在Java程序開發(fā)中使用null會帶來理論和實際操作上的種種問題。

它是錯誤之源。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。它讓你的代碼充斥著深度嵌套的null檢查，代碼的可讀性糟糕透頂。

它自身是毫無意義的。null自身沒有任何的語義，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。

它破壞了Java的哲學。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。

它在Java的類型系統(tǒng)上開了個口子。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。這會導致問題，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。

為了更好的解決和避免NPE異常，Java 8中引入了一個新的類java.util.Optional。這是一個封裝Optional值的類。舉例來說，使用新的類意味著，如果你知道一個人可能有也可能沒有車，那么Person類內(nèi)部的car變量就不應該聲明為Car，遭遇某人沒有車時把null引用賦值給它，而是將其聲明為Optional類型。

變量存在時，Optional類只是對類簡單封裝。變量不存在時，缺失的值會被建模成一個“空”的Optional對象，由方法Optional.empty()返回。Optional.empty()方法是一個靜態(tài)工廠方法，它返回Optional類的特定單一實例。你可能還有疑惑，null引用和Optional.empty()有什么本質(zhì)的區(qū)別嗎？從語義上，你可以把它們當作一回事兒，但是實際中它們之間的差別非常大： 如果你嘗試解引用一個null ， 一定會觸發(fā)NullPointerException ， 不過使用Optional.empty()就完全沒事兒，它是Optional類的一個有效對象，多種場景都能調(diào)用，非常有用。關于這一點，接下來的部分會詳細介紹。

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，第一個例子中，我們在聲明變量時使用的是Optional類型，而不是Car類型，這句聲明非常清楚地表明了這里發(fā)生變量缺失是允許的。與此相反，使用Car這樣的類型，可能將變量賦值為null，這意味著你需要獨立面對這些，你只能依賴你對業(yè)務模型的理解，判斷一個null是否屬于該變量的有效范疇。

牢記上面這些原則，你現(xiàn)在可以使用Optional類對最初的代碼進行重構，結果如下。

public class Person {
    private Optional car;

    public Optional getCar() {
        return car;
    }
}
public class Insurance {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }
}
public class Car {
    private Optional insurance;

    public Optional getInsurance() {
        return insurance;
    }
}

發(fā)現(xiàn)Optional是如何豐富你模型的語義了吧。代碼中person引用的是Optional，而car引用的是Optional，這種方式非常清晰地表達了你的模型中一個person可能擁有也可能沒有car的情形，同樣，car可能進行了保險，也可能沒有保險。

與此同時，我們看到insurance公司的名稱被聲明成String類型，而不是Optional，這非常清楚地表明聲明為insurance公司的類型必須提供公司名稱。使用這種方式，一旦解引用insurance公司名稱時發(fā)生NullPointerException，你就能非常確定地知道出錯的原因，不再需要為其添加null的檢查，因為null的檢查只會掩蓋問題，并未真正地修復問題。insurance公司必須有個名字，所以，如果你遇到一個公司沒有名稱，你需要調(diào)查你的數(shù)據(jù)出了什么問題，而不應該再添加一段代碼，將這個問題隱藏。

在你的代碼中始終如一地使用Optional，能非常清晰地界定出變量值的缺失是結構上的問題，還是你算法上的缺陷，抑或是你數(shù)據(jù)中的問題。另外，我們還想特別強調(diào)，引入Optional類的意圖并非要消除每一個null引用。與此相反，它的目標是幫助你更好地設計出普適的API，讓程序員看到方法簽名，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，直面缺失的變量值。

到目前為止，一切都很順利；你已經(jīng)知道了如何使用Optional類型來聲明你的域模型，也了解了這種方式與直接使用null引用表示變量值的缺失的優(yōu)劣。但是，我們該如何使用呢？用這種方式能做什么，或者怎樣使用Optional封裝的值呢？

使用Optional之前，你首先需要學習的是如何創(chuàng)建Optional對象。完成這一任務有多種方法。

聲明一個空的Optional

正如前文已經(jīng)提到，你可以通過靜態(tài)工廠方法Optional.empty，創(chuàng)建一個空的Optional對象：

Optional optCar = Optional.empty();

依據(jù)一個非空值創(chuàng)建Optional

你還可以使用靜態(tài)工廠方法Optional.of，依據(jù)一個非空值創(chuàng)建一個Optional對象：

Optional optCar = Optional.of(car);

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

可接受null的Optional

最后，使用靜態(tài)工廠方法Optional.ofNullable，你可以創(chuàng)建一個允許null值的Optional對象：

Optional optCar = Optional.ofNullable(car);

如果car是null，那么得到的Optional對象就是個空對象。

你可能已經(jīng)猜到，我們還需要繼續(xù)研究“如何獲取Optional變量中的值”。尤其是，Optional提供了一個get方法，它能非常精準地完成這項工作，我們在后面會詳細介紹這部分內(nèi)容。不過get方法在遭遇到空的Optional對象時也會拋出異常，所以不按照約定的方式使用它，又會讓我們再度陷入由null引起的代碼維護的夢魘。因此，我們首先從無需顯式檢查的Optional值的使用入手，這些方法與Stream中的某些操作極其相似。

從對象中提取信息是一種比較常見的模式。比如，你可能想要從insurance公司對象中提取公司的名稱。提取名稱之前，你需要檢查insurance對象是否為null，代碼如下所示：

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

為了支持這種模式，Optional提供了一個map方法。它的工作方式如下:

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

從概念上，這與我們在第4章和第5章中看到的流的map方法相差無幾。map操作會將提供的函數(shù)應用于流的每個元素。你可以把Optional對象看成一種特殊的集合數(shù)據(jù)，它至多包含一個元素。如果Optional包含一個值，那函數(shù)就將該值作為參數(shù)傳遞給map，對該值進行轉換。如果Optional為空，就什么也不做。

這看起來挺有用，但是你怎樣才能應用起來，重構之前的代碼呢？前文的代碼里用安全的方式鏈接了多個方法。

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

為了達到這個目的，我們需要求助Optional提供的另一個方法flatMap。

由于我們剛剛學習了如何使用map，你的第一反應可能是我們可以利用map重寫之前的代碼，如下所示：

Optional optPerson = Optional.of(person);
Optional name = optPerson.map(Person::getCar)
                    .map(Car::getInsurance)
                    .map(Insurance::getName);

不幸的是，這段代碼無法通過編譯。為什么呢？optPerson是Optional類型的變量， 調(diào)用map方法應該沒有問題。但getCar返回的是一個Optional類型的對象，這意味著map操作的結果是一個Optional>類型的對象。因此，它對getInsurance的調(diào)用是非法的，因為最外層的optional對象包含了另一個optional對象的值，而它當然不會支持getInsurance方法。

所以，我們該如何解決這個問題呢？讓我們再回顧一下你剛剛在流上使用過的模式：flatMap方法。使用流時，flatMap方法接受一個函數(shù)作為參數(shù)，這個函數(shù)的返回值是另一個流。這個方法會應用到流中的每一個元素，最終形成一個新的流的流。但是flagMap會用流的內(nèi)容替換每個新生成的流。換句話說，由方法生成的各個流會被合并或者扁平化為一個單一的流。這里你希望的結果其實也是類似的，但是你想要的是將兩層的optional合并為一個。

這個例子中，傳遞給流的flatMap方法會將每個正方形轉換為另一個流中的兩個三角形。那么，map操作的結果就包含有三個新的流，每一個流包含兩個三角形，但flatMap方法會將這種兩層的流合并為一個包含六個三角形的單一流。類似地，傳遞給optional的flatMap方法的函數(shù)會將原始包含正方形的optional對象轉換為包含三角形的optional對象。如果將該方法傳遞給map方法，結果會是一個Optional對象，而這個Optional對象中包含了三角形；但flatMap方法會將這種兩層的Optional對象轉換為包含三角形的單一Optional對象。

使用Optional獲取car的保險公司名稱

相信現(xiàn)在你已經(jīng)對Optional的map和flatMap方法有了一定的了解，讓我們看看如何應用。

public String getCarInsuranceName(Optional person) {
        return person.flatMap(Person::getCar)
                .flatMap(Car::getInsurance)
                .map(Insurance::getName)
                // 如果Optional的j結果為空值，設置默認值
                .orElse("Unknown");
}

我們可以看到，處理潛在可能缺失的值時，使用Optional具有明顯的優(yōu)勢。這一次，你可以用非常容易卻又普適的方法實現(xiàn)之前你期望的效果——不再需要使用那么多的條件分支，也不會增加代碼的復雜性。

使用Optional解引用串接的Person/Car/Insurance對象

由Optional對象，我們可以結合使用之前介紹的map和flatMap方法，從Person中解引用出Car，從Car中解引用出Insurance，從Insurance對象中解引用出包含insurance公司名稱的字符串。

這里，我們從以Optional封裝的Person入手，對其調(diào)用flatMap(Person::getCar)。如前所述，這種調(diào)用邏輯上可以劃分為兩步。第一步，某個Function作為參數(shù)，被傳遞給由Optional封裝的Person對象，對其進行轉換。這個場景中，F(xiàn)unction的具體表現(xiàn)是一個方法引用，即對Person對象的getCar方法進行調(diào)用。由于該方法返回一個Optional類型的對象，Optional內(nèi)的Person也被轉換成了這種對象的實例，結果就是一個兩層的Optional對象，最終它們會被flagMap操作合并。從純理論的角度而言，你可以將這種合并操作簡單地看成把兩個Optional對象結合在一起，如果其中有一個對象為空，就構成一個空的Optional對象。如果你對一個空的Optional對象調(diào)用flatMap，實際情況又會如何呢？結果不會發(fā)生任何改變，返回值也是個空的Optional對象。與此相反，如果Optional封裝了一個Person對象，傳遞給flapMap的Function，就會應用到Person上對其進行處理。這個例子中，由于Function的返回值已經(jīng)是一個Optional對象，flapMap方法就直接將其返回。

第二步與第一步大同小異，它會將Optional轉換為Optional。第三步則會將Optional轉化為Optional對象，由于Insurance.getName()方法的返回類型為String，這里就不再需要進行flapMap操作了。

截至目前為止，返回的Optional可能是兩種情況：如果調(diào)用鏈上的任何一個方法返回一個空的Optional，那么結果就為空，否則返回的值就是你期望的保險公司的名稱。那么，你如何讀出這個值呢？畢竟你最后得到的這個對象還是個Optional，它可能包含保險公司的名稱，也可能為空。我們使用了一個名為orElse的方法，當Optional的值為空時，它會為其設定一個默認值。除此之外，還有很多其他的方法可以為Optional設定默認值，或者解析出Optional代表的值。接下來我們會對此做進一步的探討。

我們決定采用orElse方法讀取這個變量的值，使用這種方式你還可以定義一個默認值，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。

get()是這些方法中最簡單但又最不安全的方法。如果變量存在，它直接返回封裝的變量值，否則就拋出一個NoSuchElementException異常。所以，除非你非常確定Optional變量一定包含值，否則使用這個方法是個相當糟糕的主意。此外，這種方式即便相對于嵌套式的null檢查，也并未體現(xiàn)出多大的改進。

orElse(T other)是我們在代碼使用的方法，正如之前提到的，它允許你在Optional對象不包含值時提供一個默認值。

orElseGet(Supplier other)是orElse方法的延遲調(diào)用版，Supplier方法只有在Optional對象不含值時才執(zhí)行調(diào)用。如果創(chuàng)建默認值是件耗時費力的工作，你應該考慮采用這種方式（借此提升程序的性能），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，也可以考慮該方式（這種情況有嚴格的限制條件）。

orElseThrow(Supplier exceptionSupplier)和get方法非常類似，它們遭遇Optional對象為空時都會拋出一個異常，但是使用orElseThrow你可以定制希望拋出的異常類型。

ifPresent(Consumer)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。

Optional類和Stream接口的相似之處，遠不止map和flatMap這兩個方法。還有第三個方法filter，它的行為在兩種類型之間也極其相似。

現(xiàn)在，我們假設你有這樣一個方法，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進行查詢，通過一些復雜的業(yè)務邏輯，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
    // 對比所有數(shù)據(jù)
    return cheapestCompany;
}

我們還假設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)，返回值是一個Optional對象，如果傳入的任何一個參數(shù)值為空，它的返回值亦為空。Optional類還提供了一個isPresent方法，如果Optional對象包含值，該方法就返回true，所以你的第一想法可能是通過下面這種方式實現(xiàn)該方法：

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

這個方法具有明顯的優(yōu)勢，我們從它的簽名就能非常清楚地知道無論是person還是car，它的值都有可能為空，出現(xiàn)這種情況時，方法的返回值也不會包含任何值。不幸的是，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：方法接受一個Person和一個Car對象作為參數(shù)，而二者都有可能為null。利用Optional類提供的特性，有沒有更好或更地道的方式來實現(xiàn)這個方法呢?

Optional類和Stream接口的相似之處遠不止map和flatMap這兩個方法。還有第三個方法filter，它的行為在兩種類型之間也極其相似，我們在接下來的一節(jié)會進行介紹。

你經(jīng)常需要調(diào)用某個對象的方法，查看它的某些屬性。比如，你可能需要檢查保險公司的名稱是否為“Cambridge-Insurance”。為了以一種安全的方式進行這些操作，你首先需要確定引用指向的Insurance對象是否為null，之后再調(diào)用它的getName方法，如下所示：

Insurance insurance = ...;
if(insurance != null && "CambridgeInsurance".equals(insurance.getName())){
    System.out.println("ok");
}

使用Optional對象的filter方法，這段代碼可以重構如下：

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

filter方法接受一個謂詞作為參數(shù)。如果Optional對象的值存在，并且它符合謂詞的條件，filter方法就返回其值；否則它就返回一個空的Optional對象。如果你還記得我們可以將Optional看成最多包含一個元素的Stream對象，這個方法的行為就非常清晰了。如果Optional對象為空，它不做任何操作，反之，它就對Optional對象中包含的值施加謂詞操作。如果該操作的結果為true，它不做任何改變，直接返回該Optional對象，否則就將該值過濾掉，將Optional的值置空。

下一節(jié)中，我們會探討Optional類剩下的一些特性，并提供更實際的例子，展示多種你能夠應用于代碼中更好地管理缺失值的技巧。

相信你已經(jīng)了解，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。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，你如何與原生Java API實現(xiàn)共存共贏。

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，很多API的設計編寫可能會大有不同。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，但這并不表示我們什么也做不了。你可以在自己的代碼中添加一些工具方法，修復或者繞過這些問題，讓你的代碼能享受Optional帶來的威力。我們會通過幾個實際的例子講解如何達到這樣的目的。

現(xiàn)存Java API幾乎都是通過返回一個null的方式來表示需要值的缺失，或者由于某些原因計算無法得到該值。比如，如果Map中不含指定的鍵對應的值，它的get方法會返回一個null。但是，正如我們之前介紹的，大多數(shù)情況下，你可能希望這些方法能返回一個Optional對象。你無法修改這些方法的簽名，但是你很容易用Optional對這些方法的返回值進行封裝。我們接著用Map做例子，假設你有一個Map方法，訪問由key索引的值時，如果map中沒有與key關聯(lián)的值，該次調(diào)用就會返回一個null。

Object value = map.get("key");

使用Optional封裝map的返回值，你可以對這段代碼進行優(yōu)化。要達到這個目的有兩種方式：你可以使用笨拙的if-then-else判斷語句，毫無疑問這種方式會增加代碼的復雜度；或者你可以采用我們前文介紹的Optional.ofNullable方法：

Optional