Java开发笔记（七十七）使用Optional规避空指针异常

前面在介绍清单用法的时候，讲到了既能使用for循环遍历清单，也能通过stream流式加工清单。譬如从一个苹果清单中挑选出红苹果清单，采取for循环和流式处理都可以实现。下面是通过for循环挑出红苹果清单的代码例子：

	// 通过简单的for循环挑出红苹果清单
	private static void getRedAppleWithFor(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		for (Apple apple : list) { // 遍历现有的苹果清单
			if (apple.isRedApple()) { // 判断是否为红苹果
				redAppleList.add(apple);
			}
		}
		System.out.println("for循环 红苹果清单=" + redAppleList.toString());
	}

至于通过流式处理挑出红苹果清单的代码示例如下：

	// 通过流式处理挑出红苹果清单
	private static void getRedAppleWithStream(List<Apple> list) {
		// 挑出红苹果清单
		List<Apple> redAppleList = list.stream() // 串行处理
				.filter(Apple::isRedApple) // 过滤条件。专门挑选红苹果
				.collect(Collectors.toList()); // 返回一串清单
		System.out.println("流式处理 红苹果清单=" + redAppleList.toString());
	}

然而上述的两段代码只能在数据完整的情况下运行，一旦原始的苹果清单存在数据缺失，则两段代码均无法正常运行。例如，苹果清单为空，清单中的某条苹果记录为空，某个苹果记录的颜色字段为空，这三种情况都会导致程序遇到空指针异常而退出。看来编码不是一件轻松的活，不但要让程序能跑通正确的数据，而且要让程序对各种非法数据应对自如。换句话说，程序要足够健壮，要拥有适当的容错性，即使是吃错药了，也要能够自动吐出来，而不是硬吞下去结果一病不起。对应到挑选红苹果的场合中，则需层层递进判断原始苹果清单的数据完整性，倘若发现任何一处的数据存在缺漏情况（如出现空指针），就跳过该处的数据处理。于是在for循环前后添加了空指针校验的红苹果挑选代码变成了下面这样：

	// 在for循环的内外添加必要的空指针校验
	private static void getRedAppleWithNull(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		if (list != null) { // 判断清单非空
			for (Apple item : list) { // 遍历现有的苹果清单
				if (item != null) { // 判断该记录非空
					if (item.getColor() != null) { // 判断颜色字段非空
						if (item.isRedApple()) { // 判断是否为红苹果
							redAppleList.add(item);
						}
					}
				}
			}
		}
		System.out.println("加空指针判断 红苹果清单=" + redAppleList.toString());
	}

由此可见修改后的for循环代码一共增加了三个空指针判断，但是上面代码明显太复杂了，不必说层层嵌套的条件分支，也不必说多次缩进的代码格式，单单说后半部分的数个右花括号，简直叫人看得眼花缭乱，难以分清哪个右花括号究竟对应上面的哪个流程控制语句。这种情况实在考验程序员的眼力，要是一不留神看走眼放错其它代码的位置，岂不是捡了芝麻丢了西瓜？
空指针的校验代码固然繁琐，却是万万少不了的，究其根源，乃是Java设计之初偷懒所致。正常情况下，声明某个对象时理应为其分配默认值，从而确保该对象在任何时候都是有值的，但早期的Java图省事，如果程序员没在声明对象的同时加以赋值，那么系统也不给它初始化，结果该对象只好指向一个虚无缥缈的空间，而在太虚幻境中无论做什么事情都只能是黄粱一梦。
空指针的设计缺陷根深蒂固，以至于后来的Java版本难以根除该毛病，迟至Java8才推出了针对空指针的解决方案——可选器Optional。Optional本质上是一种特殊的容器，其内部有且仅有一个元素，同时该元素还可能为空。围绕着这个可空元素，Optional衍生出若干泛型方法，目的是将复杂的流程控制语句归纳为接续进行的方法调用。为了兼容已有的Java代码，通常并不直接构造Optional实例，而是调用它的ofNullable方法塞入某个实体对象，再调用Optional实例的其它方法进行处理。Optional常用的实例方法罗列如下：
get：获取可选器中保存的元素。如果元素为空，则扔出无此元素异常NoSuchElementException。
isPresent：判断可选器中元素是否为空。非空返回true，为空返回false。
ifPresent：如果元素非空，则对该元素执行指定的Consumer消费事件。
filter：如果元素非空，则根据Predicate断言条件检查该元素是否符合要求，只有符合才原样返回，若不符合则返回空值。
map：如果元素非空，则执行Function函数实例规定的操作，并返回指定格式的数据。
orElse：如果元素非空就返回该元素，否则返回指定的对象值。
orElseThrow：如果元素非空就返回该元素，否则扔出指定的异常。
接下来看一个Optional的简单应用例子，之前在苹果类中写了isRedApple方法，用来判断自身是否为红苹果，该方法的代码如下所示：

	// 判断是否红苹果
	public boolean isRedApple() {
		// 不严谨的写法。一旦color字段为空，就会发生空指针异常
		return this.color.toLowerCase().equals("red");
	}

显而易见这个isRedApple方法很不严谨，一旦颜色color字段为空，就会发生空指针异常。常规的补救自然是增加空指针判断，遇到空指针的情况便自动返回false，此时方法代码优化如下：

	// 判断是否红苹果
	public boolean isRedApple() {
		// 常规的写法，判断color字段是否为空，再做分支处理
		boolean isRed = (this.color==null) ? false : this.color.toLowerCase().equals("red");
		return isRed;
	}

现在借助可空器Optional，支持一路过来的方法调用，先调用ofNullable方法设置对象实例，再调用map方法转换数据类型，再调用orElse方法设置空指针之时的取值，最后调用equals方法进行颜色对比。采取Optional形式的方法代码示例如下：

	// 判断是否红苹果
	public boolean isRedApple() {
		// 利用Optional进行可空对象的处理，可空对象指的是该对象可能不存在（空指针）
		boolean isRed = Optional.ofNullable(this.color) // 构造一个可空对象
				.map(color -> color.toLowerCase()) // map指定了非空时候的取值
				.orElse("null") // orElse设置了空指针时候的取值
				.equals("red"); // 再判断是否红苹果
		return isRed;
	}

然而上面Optional方式的代码行数明显超过了条件分支语句，它的先进性又何从体现呢？其实可选器并非要完全取代原先的空指针判断，而是提供了另一种解决问题的新思路，通过合理搭配各项技术，方能取得最优的解决办法。仍以挑选红苹果为例，原本判断元素非空的分支语句“if (item != null)”，采用Optional改进之后的循环代码如下所示：

	// 把for循环的内部代码改写为Optional校验方式
	private static void getRedAppleWithOptionalOne(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		if (list != null) { // 判断清单非空
			for (Apple item : list) { // 遍历现有的苹果清单
				if (Optional.ofNullable(item) // 构造一个可空对象
						.map(apple -> apple.isRedApple()) // map指定了item非空时候的取值
						.orElse(false)) { // orElse指定了item为空时候的取值
					redAppleList.add(item);
				}
			}
		}
		System.out.println("Optional1判断 红苹果清单=" + redAppleList.toString());
	}

注意到以上代码仍然存在形如“if (list != null)”的清单非空判断，而且该分支后面还有要命的for循环，这下既要利用Optional的ifPresent方法输入消费行为，又要使用流式处理的forEach方法遍历每个元素。于是进一步改写后的Optional代码变成了下面这般：

	// 把清单的非空判断代码改写为Optional校验方式
	private static void getRedAppleWithOptionalTwo(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		Optional.ofNullable(list) // 构造一个可空对象
			.ifPresent( // ifPresent指定了list非空时候的处理
				apples -> {
					apples.stream().forEach( // 对苹果清单进行流式处理
							item -> {
								if (Optional.ofNullable(item) // 构造一个可空对象
										.map(apple -> apple.isRedApple()) // map指定了item非空时候的取值
										.orElse(false)) { // orElse指定了item为空时候的取值
									redAppleList.add(item);
								}
							});
				});
		System.out.println("Optional2判断 红苹果清单=" + redAppleList.toString());
	}

虽然二度改进后的代码已经消除了空指针判断分支，但是依然留下是否为红苹果的校验分支，仅存的if语句着实碍眼，干脆一不做二不休引入流式处理的filter方法替换if语句。几经修改得到了以下的最终优化代码：

	// 联合运用Optional校验和流式处理
	private static void getRedAppleWithOptionalThree(List<Apple> list) {
		List<Apple> redAppleList = new ArrayList<Apple>();
		Optional.ofNullable(list) // 构造一个可空对象
				.ifPresent(apples -> { // ifPresent指定了list非空时候的处理
					// 从原始清单中筛选出红苹果清单
					redAppleList.addAll(apples.stream()
								.filter(a -> a != null) // 只挑选非空元素
								.filter(Apple::isRedApple) // 只挑选红苹果
								.collect(Collectors.toList())); // 返回结果清单
					});
		System.out.println("Optional3判断 红苹果清单=" + redAppleList.toString());
	}

好不容易去掉了所有if和for语句，尽管代码的总行数未有明显减少，不过逻辑结构显然变得更加清晰了。

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