Java開發筆記（七十七）使用Optional規避空指針異常

前面在介紹清單用法的時候，講到了既能使用for循環遍歷清單，也能經過stream流式加工清單。譬如從一個蘋果清單中挑選出紅蘋果清單，採起for循環和流式處理均可以實現。下面是經過for循環挑出紅蘋果清單的代碼例子：

	// 經過簡單的for循環挑出紅蘋果清單
	private static void getRedAppleWithFor(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		for (Apple apple : list) { // 遍歷現有的蘋果清單
			if (apple.isRedApple()) { // 判斷是否爲紅蘋果
				redAppleList.add(apple);
			}
		}
		System.out.println("for循環 紅蘋果清單=" + redAppleList.toString());
	}

 

至於經過流式處理挑出紅蘋果清單的代碼示例以下：

	// 經過流式處理挑出紅蘋果清單
	private static void getRedAppleWithStream(List<Apple> list) {
		// 挑出紅蘋果清單
		List<Apple> redAppleList = list.stream() // 串行處理
				.filter(Apple::isRedApple) // 過濾條件。專門挑選紅蘋果
				.collect(Collectors.toList()); // 返回一串清單
		System.out.println("流式處理 紅蘋果清單=" + redAppleList.toString());
	}

 

然而上述的兩段代碼只能在數據完整的狀況下運行，一旦原始的蘋果清單存在數據缺失，則兩段代碼均沒法正常運行。例如，蘋果清單爲空，清單中的某條蘋果記錄爲空，某個蘋果記錄的顏色字段爲空，這三種狀況都會致使程序遇到空指針異常而退出。看來編碼不是一件輕鬆的活，不但要讓程序能跑通正確的數據，並且要讓程序對各類非法數據應對自如。換句話說，程序要足夠健壯，要擁有適當的容錯性，即便是吃錯藥了，也要可以自動吐出來，而不是硬吞下去結果一病不起。對應到挑選紅蘋果的場合中，則需層層遞進判斷原始蘋果清單的數據完整性，假若發現任何一處的數據存在缺漏狀況（如出現空指針），就跳過該處的數據處理。因而在for循環先後添加了空指針校驗的紅蘋果挑選代碼變成了下面這樣：

	// 在for循環的內外添加必要的空指針校驗
	private static void getRedAppleWithNull(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		if (list != null) { // 判斷清單非空
			for (Apple item : list) { // 遍歷現有的蘋果清單
				if (item != null) { // 判斷該記錄非空
					if (item.getColor() != null) { // 判斷顏色字段非空
						if (item.isRedApple()) { // 判斷是否爲紅蘋果
							redAppleList.add(item);
						}
					}
				}
			}
		}
		System.out.println("加空指針判斷 紅蘋果清單=" + redAppleList.toString());
	}

 

因而可知修改後的for循環代碼一共增長了三個空指針判斷，可是上面代碼明顯太複雜了，沒必要說層層嵌套的條件分支，也沒必要說屢次縮進的代碼格式，單單說後半部分的數個右花括號，簡直叫人看得眼花繚亂，難以分清哪一個右花括號究竟對應上面的哪一個流程控制語句。這種狀況實在考驗程序員的眼力，要是一不留神看走眼放錯其它代碼的位置，豈不是撿了芝麻丟了西瓜？
空指針的校驗代碼當然繁瑣，倒是萬萬少不了的，究其根源，乃是Java設計之初偷懶所致。正常狀況下，聲明某個對象時理應爲其分配默認值，從而確保該對象在任什麼時候候都是有值的，但早期的Java圖省事，若是程序員沒在聲明對象的同時加以賦值，那麼系統也不給它初始化，結果該對象只好指向一個虛無縹緲的空間，而在太虛幻境中不管作什麼事情都只能是黃粱一夢。
空指針的設計缺陷根深蒂固，以致於後來的Java版本難以根除該毛病，遲至Java8才推出了針對空指針的解決方案——可選器Optional。Optional本質上是一種特殊的容器，其內部有且僅有一個元素，同時該元素還可能爲空。圍繞着這個可空元素，Optional衍生出若干泛型方法，目的是將複雜的流程控制語句概括爲接續進行的方法調用。爲了兼容已有的Java代碼，一般並不直接構造Optional實例，而是調用它的ofNullable方法塞入某個實體對象，再調用Optional實例的其它方法進行處理。Optional經常使用的實例方法羅列以下：
get：獲取可選器中保存的元素。若是元素爲空，則扔出無此元素異常NoSuchElementException。
isPresent：判斷可選器中元素是否爲空。非空返回true，爲空返回false。
ifPresent：若是元素非空，則對該元素執行指定的Consumer消費事件。
filter：若是元素非空，則根據Predicate斷言條件檢查該元素是否符合要求，只有符合才原樣返回，若不符合則返回空值。
map：若是元素非空，則執行Function函數實例規定的操做，並返回指定格式的數據。
orElse：若是元素非空就返回該元素，不然返回指定的對象值。
orElseThrow：若是元素非空就返回該元素，不然扔出指定的異常。
接下來看一個Optional的簡單應用例子，以前在蘋果類中寫了isRedApple方法，用來判斷自身是否爲紅蘋果，該方法的代碼以下所示：

	// 判斷是否紅蘋果
	public boolean isRedApple() {
		// 不嚴謹的寫法。一旦color字段爲空，就會發生空指針異常
		return this.color.toLowerCase().equals("red");
	}

 

顯而易見這個isRedApple方法很不嚴謹，一旦顏色color字段爲空，就會發生空指針異常。常規的補救天然是增長空指針判斷，遇到空指針的狀況便自動返回false，此時方法代碼優化以下：

	// 判斷是否紅蘋果
	public boolean isRedApple() {
		// 常規的寫法，判斷color字段是否爲空，再作分支處理
		boolean isRed = (this.color==null) ? false : this.color.toLowerCase().equals("red");
		return isRed;
	}

 

如今藉助可空器Optional，支持一路過來的方法調用，先調用ofNullable方法設置對象實例，再調用map方法轉換數據類型，再調用orElse方法設置空指針之時的取值，最後調用equals方法進行顏色對比。採起Optional形式的方法代碼示例以下：

	// 判斷是否紅蘋果
	public boolean isRedApple() {
		// 利用Optional進行可空對象的處理，可空對象指的是該對象可能不存在（空指針）
		boolean isRed = Optional.ofNullable(this.color) // 構造一個可空對象
				.map(color -> color.toLowerCase()) // map指定了非空時候的取值
				.orElse("null") // orElse設置了空指針時候的取值
				.equals("red"); // 再判斷是否紅蘋果
		return isRed;
	}

 

然而上面Optional方式的代碼行數明顯超過了條件分支語句，它的先進性又何從體現呢？其實可選器並不是要徹底取代原先的空指針判斷，而是提供了另外一種解決問題的新思路，經過合理搭配各項技術，方能取得最優的解決辦法。仍以挑選紅蘋果爲例，本來判斷元素非空的分支語句「if (item != null)」，採用Optional改進以後的循環代碼以下所示：

	// 把for循環的內部代碼改寫爲Optional校驗方式
	private static void getRedAppleWithOptionalOne(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		if (list != null) { // 判斷清單非空
			for (Apple item : list) { // 遍歷現有的蘋果清單
				if (Optional.ofNullable(item) // 構造一個可空對象
						.map(apple -> apple.isRedApple()) // map指定了item非空時候的取值
						.orElse(false)) { // orElse指定了item爲空時候的取值
					redAppleList.add(item);
				}
			}
		}
		System.out.println("Optional1判斷 紅蘋果清單=" + redAppleList.toString());
	}

 

注意到以上代碼仍然存在形如「if (list != null)」的清單非空判斷，並且該分支後面還有要命的for循環，這下既要利用Optional的ifPresent方法輸入消費行爲，又要使用流式處理的forEach方法遍歷每一個元素。因而進一步改寫後的Optional代碼變成了下面這般：

	// 把清單的非空判斷代碼改寫爲Optional校驗方式
	private static void getRedAppleWithOptionalTwo(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		Optional.ofNullable(list) // 構造一個可空對象
			.ifPresent( // ifPresent指定了list非空時候的處理
				apples -> {
					apples.stream().forEach( // 對蘋果清單進行流式處理
							item -> {
								if (Optional.ofNullable(item) // 構造一個可空對象
										.map(apple -> apple.isRedApple()) // map指定了item非空時候的取值
										.orElse(false)) { // orElse指定了item爲空時候的取值
									redAppleList.add(item);
								}
							});
				});
		System.out.println("Optional2判斷 紅蘋果清單=" + redAppleList.toString());
	}

 

雖然二度改進後的代碼已經消除了空指針判斷分支，可是依然留下是否爲紅蘋果的校驗分支，僅存的if語句着實礙眼，乾脆一不作二不休引入流式處理的filter方法替換if語句。幾經修改獲得瞭如下的最終優化代碼：

	// 聯合運用Optional校驗和流式處理
	private static void getRedAppleWithOptionalThree(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		Optional.ofNullable(list) // 構造一個可空對象
				.ifPresent(apples -> { // ifPresent指定了list非空時候的處理
					// 從原始清單中篩選出紅蘋果清單
					redAppleList.addAll(apples.stream()
								.filter(a -> a != null) // 只挑選非空元素
								.filter(Apple::isRedApple) // 只挑選紅蘋果
								.collect(Collectors.toList())); // 返回結果清單
					});
		System.out.println("Optional3判斷 紅蘋果清單=" + redAppleList.toString());
	}

 

好不容易去掉了全部if和for語句，儘管代碼的總行數未有明顯減小，不過邏輯結構顯然變得更加清晰了。

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