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  • Java8中的Optional用对了吗

    从 Java 8 引入的一个很有趣的特性是 Optional  类。Optional 类主要解决的问题是臭名昭著的空指针异常(NullPointerException) —— 每个 Java 程序员都非常了解的异常。本质上,这是一个包含有可选值的包装类,这意味着 Optional 类既可以含有对象也可以为空。

    Optional 是 Java 实现函数式编程的强劲一步,并且帮助在范式中实现。但是 Optional 的意义显然不止于此。


    我们从一个简单的用例开始。在 Java 8 之前,任何访问对象方法或属性的调用都可能导致 NullPointerException:

    String isocode = user.getAddress().getCountry().getIsocode().toUpperCase();
    

    在这个小示例中,如果我们需要确保不触发异常,就得在访问每一个值之前对其进行明确地检查:

    if (user != null) {
        Address address = user.getAddress();
        if (address != null) {
            Country country = address.getCountry();
            if (country != null) {
                String isocode = country.getIsocode();
                if (isocode != null) {
                    isocode = isocode.toUpperCase();
                }
            }
        }
    }
    

    你看到了,这很容易就变得冗长,难以维护。

    为了简化这个过程,我们来看看用 Optional  类是怎么做的。从创建和验证实例,到使用其不同的方法,并与其它返回相同类型的方法相结合,下面是见证 Optional  奇迹的时刻。


    创建 Optional  实例

    重申一下,这个类型的对象可能包含值,也可能为空。你可以使用同名方法创建一个空的 Optional。

    @Test(expected = NoSuchElementException.class)
    public void whenCreateEmptyOptional_thenNull() {
        Optional<User> emptyOpt = Optional.empty();
        emptyOpt.get();
    }
    

    毫不奇怪,尝试访问 emptyOpt 变量的值会导致 NoSuchElementException。

    你可以使用  of() 和 ofNullable() 方法创建包含值的 Optional。两个方法的不同之处在于如果你把 null 值作为参数传递进去,of() 方法会抛出 NullPointerException:

    @Test(expected = NullPointerException.class)
    public void whenCreateOfEmptyOptional_thenNullPointerException() {
        Optional<User> opt = Optional.of(user);
    }
    

    你看,我们并没有完全摆脱 NullPointerException。因此,你应该明确对象不为 null  的时候使用 of()。

    如果对象即可能是 null 也可能是非 null,你就应该使用 ofNullable() 方法:

    Optional<User> opt = Optional.ofNullable(user);
    

    访问 Optional 对象的值

    从 Optional 实例中取回实际值对象的方法之一是使用 get() 方法:

    @Test
    public void whenCreateOfNullableOptional_thenOk() {
        String name = "John";
        Optional<String> opt = Optional.ofNullable(name);
    
        assertEquals("John", opt.get());
    }
    

    不过,你看到了,这个方法会在值为 null 的时候抛出异常。要避免异常,你可以选择首先验证是否有值:

    @Test
    public void whenCheckIfPresent_thenOk() {
        User user = new User("john@gmail.com", "1234");
        Optional<User> opt = Optional.ofNullable(user);
        assertTrue(opt.isPresent());
    
        assertEquals(user.getEmail(), opt.get().getEmail());
    }
    

    检查是否有值的另一个选择是 ifPresent() 方法。该方法除了执行检查,还接受一个Consumer(消费者) 参数,如果对象不是空的,就对执行传入的 Lambda 表达式:

    opt.ifPresent( u -> assertEquals(user.getEmail(), u.getEmail()));
    

    这个例子中,只有 user 用户不为 null 的时候才会执行断言。

    接下来,我们来看看提供空值的方法。

    返回默认值

    Optional 类提供了 API 用以返回对象值,或者在对象为空的时候返回默认值。

    这里你可以使用的第一个方法是 orElse(),它的工作方式非常直接,如果有值则返回该值,否则返回传递给它的参数值:

    @Test
    public void whenEmptyValue_thenReturnDefault() {
        User user = null;
        User user2 = new User("anna@gmail.com", "1234");
        User result = Optional.ofNullable(user).orElse(user2);
    
        assertEquals(user2.getEmail(), result.getEmail());
    }
    

    这里 user 对象是空的,所以返回了作为默认值的 user2。

    如果对象的初始值不是 null,那么默认值会被忽略:

    @Test
    public void whenValueNotNull_thenIgnoreDefault() {
        User user = new User("john@gmail.com","1234");
        User user2 = new User("anna@gmail.com", "1234");
        User result = Optional.ofNullable(user).orElse(user2);
    
        assertEquals("john@gmail.com", result.getEmail());
    }
    

    第二个同类型的 API 是 orElseGet() —— 其行为略有不同。这个方法会在有值的时候返回值,如果没有值,它会执行作为参数传入的 Supplier(供应者) 函数式接口,并将返回其执行结果:

    User result = Optional.ofNullable(user).orElseGet( () -> user2);
    

    orElse() 和 orElseGet() 的不同之处

    乍一看,这两种方法似乎起着同样的作用。然而事实并非如此。我们创建一些示例来突出二者行为上的异同。

    我们先来看看对象为空时他们的行为:

    @Test
    public void givenEmptyValue_whenCompare_thenOk() {
        User user = null
        logger.debug("Using orElse");
        User result = Optional.ofNullable(user).orElse(createNewUser());
        logger.debug("Using orElseGet");
        User result2 = Optional.ofNullable(user).orElseGet(() -> createNewUser());
    }
    
    private User createNewUser() {
        logger.debug("Creating New User");
        return new User("extra@gmail.com", "1234");
    }
    

    上面的代码中,两种方法都调用了 createNewUser() 方法,这个方法会记录一个消息并返回 User 对象。

    代码输出如下:

    Using orElse
    Creating New User
    Using orElseGet
    Creating New User
    

    由此可见,当对象为空而返回默认对象时,行为并无差异。

    我们接下来看一个类似的示例,但这里 Optional  不为空:

    @Testpublic void givenPresentValue_whenCompare_thenOk() {    User user = new User("john@gmail.com", "1234");    logger.info("Using orElse");    User result = Optional.ofNullable(user).orElse(createNewUser());    logger.info("Using orElseGet");    User result2 = Optional.ofNullable(user).orElseGet(() -> createNewUser());}
    

    这次的输出:

    Using orElseCreating New UserUsing orElseGet
    

    这个示例中,两个 Optional  对象都包含非空值,两个方法都会返回对应的非空值。不过,orElse() 方法仍然创建了 User 对象。与之相反,orElseGet() 方法不创建 User 对象。

    在执行较密集的调用时,比如调用 Web 服务或数据查询,这个差异会对性能产生重大影响。

    返回异常

    除了 orElse() 和 orElseGet() 方法,Optional 还定义了 orElseThrow() API —— 它会在对象为空的时候抛出异常,而不是返回备选的值:

    @Test
    public void givenPresentValue_whenCompare_thenOk() {
        User user = new User("john@gmail.com", "1234");
        logger.info("Using orElse");
        User result = Optional.ofNullable(user).orElse(createNewUser());
        logger.info("Using orElseGet");
        User result2 = Optional.ofNullable(user).orElseGet(() -> createNewUser());
    }
    

    这里,如果 user 值为 null,会抛出 IllegalArgumentException。

    这个方法让我们有更丰富的语义,可以决定抛出什么样的异常,而不总是抛出 NullPointerException。

    现在我们已经很好地理解了如何使用 Optional,我们来看看其它可以对 Optional 值进行转换和过滤的方法。

    转换值

    有很多种方法可以转换 Optional  的值。我们从 map() 和 flatMap() 方法开始。

    先来看一个使用 map() API 的例子:

    @Test
    public void whenMap_thenOk() {
        User user = new User("anna@gmail.com", "1234");
        String email = Optional.ofNullable(user)
          .map(u -> u.getEmail()).orElse("default@gmail.com");
    
        assertEquals(email, user.getEmail());
    }
    

    map() 对值应用(调用)作为参数的函数,然后将返回的值包装在 Optional 中。这就使对返回值进行链试调用的操作成为可能 —— 这里的下一环就是 orElse()。

    相比这下,flatMap() 也需要函数作为参数,并对值调用这个函数,然后直接返回结果。

    下面的操作中,我们给 User 类添加了一个方法,用来返回 Optional:

    public class User {
        private String position;
    
        public Optional<String> getPosition() {
            return Optional.ofNullable(position);
        }
    
        //...
    }
    

    既然 getter 方法返回 String 值的 Optional,你可以在对 User 的 Optional 对象调用 flatMap() 时,用它作为参数。其返回的值是解除包装的 String 值:

    @Test
    public void whenFlatMap_thenOk() {
        User user = new User("anna@gmail.com", "1234");
        user.setPosition("Developer");
        String position = Optional.ofNullable(user)
          .flatMap(u -> u.getPosition()).orElse("default");
    
        assertEquals(position, user.getPosition().get());
    }
    

    过滤值

    除了转换值之外,Optional  类也提供了按条件“过滤”值的方法。

    filter() 接受一个 Predicate 参数,返回测试结果为 true 的值。如果测试结果为 false,会返回一个空的 Optional。

    来看一个根据基本的电子邮箱验证来决定接受或拒绝 User(用户) 的示例:

    @Test
    public void whenFilter_thenOk() {
        User user = new User("anna@gmail.com", "1234");
        Optional<User> result = Optional.ofNullable(user)
          .filter(u -> u.getEmail() != null && u.getEmail().contains("@"));
    
        assertTrue(result.isPresent());
    }
    

    如果通过过滤器测试,result 对象会包含非空值。

    Optional 类的链式方法

    为了更充分的使用 Optional,你可以链接组合其大部分方法,因为它们都返回相同类似的对象。

    我们使用 Optional  重写最早介绍的示例。

    首先,重构类,使其 getter 方法返回 Optional 引用:

    public class User {
        private Address address;
    
        public Optional<Address> getAddress() {
            return Optional.ofNullable(address);
        }
    
        // ...
    }
    public class Address {
        private Country country;
    
        public Optional<Country> getCountry() {
            return Optional.ofNullable(country);
        }
    
        // ...
    }
    

    上面的嵌套结构可以用下面的图来表示:

    图片图片

    现在可以删除 null 检查,替换为 Optional 的方法:

    @Test
    public void whenChaining_thenOk() {
        User user = new User("anna@gmail.com", "1234");
    
        String result = Optional.ofNullable(user)
          .flatMap(u -> u.getAddress())
          .flatMap(a -> a.getCountry())
          .map(c -> c.getIsocode())
          .orElse("default");
    
        assertEquals(result, "default");
    }
    

    上面的代码可以通过方法引用进一步缩减:

    String result = Optional.ofNullable(user)
      .flatMap(User::getAddress)
      .flatMap(Address::getCountry)
      .map(Country::getIsocode)
      .orElse("default");
    

    结果现在的代码看起来比之前采用条件分支的冗长代码简洁多了。

    Java 9 增强

    我们介绍了 Java 8 的特性,Java 9 为 Optional 类添加了三个方法:or()、ifPresentOrElse() 和 stream()。

    or() 方法与 orElse() 和 orElseGet() 类似,它们都在对象为空的时候提供了替代情况。or() 的返回值是由 Supplier 参数产生的另一个 Optional 对象。

    如果对象包含值,则 Lambda 表达式不会执行:

    @Test
    public void whenEmptyOptional_thenGetValueFromOr() {
        User result = Optional.ofNullable(user)
            .or( () -> Optional.of(new User("default","1234"))).get();
    
        assertEquals(result.getEmail(), "default");
    }
    

    上面的示例中,如果 user 变量是 null,它会返回一个 Optional,它所包含的 User 对象,其电子邮件为 “default”。

    ifPresentOrElse() 方法需要两个参数:一个 Consumer 和一个 Runnable。如果对象包含值,会执行 Consumer 的动作,否则运行 Runnable。

    如果你想在有值的时候执行某个动作,或者只是跟踪是否定义了某个值,那么这个方法非常有用:

    Optional.ofNullable(user).ifPresentOrElse( u -> logger.info("User is:" + u.getEmail()),
      () -> logger.info("User not found"));
    

    最后介绍的是新的 stream() 方法,它通过把实例转换为 Stream 对象,让你从广大的 Stream API 中受益。如果没有值,它会得到空的 Stream;有值的情况下,Stream 则会包含单一值。

    我们来看一个把 Optional 处理成 Stream 的例子:

    @Test
    public void whenGetStream_thenOk() {
        User user = new User("john@gmail.com", "1234");
        List<String> emails = Optional.ofNullable(user)
          .stream()
          .filter(u -> u.getEmail() != null && u.getEmail().contains("@"))
          .map( u -> u.getEmail())
          .collect(Collectors.toList());
    
        assertTrue(emails.size() == 1);
        assertEquals(emails.get(0), user.getEmail());
    }
    

    这里对 Stream 的使用带来了其 filter()、map() 和 collect() 接口,以获取 List。

    Optional  应该怎样用?

    在使用 Optional 的时候需要考虑一些事情,以决定什么时候怎样使用它。

    重要的一点是 Optional 不是 Serializable。因此,它不应该用作类的字段。

    如果你需要序列化的对象包含 Optional 值,Jackson 库支持把 Optional 当作普通对象。也就是说,Jackson 会把空对象看作 null,而有值的对象则把其值看作对应域的值。这个功能在 jackson-modules-java8 项目中。


    它在另一种情况下也并不怎么有用,就是在将其类型用作方法或构建方法的参数时。这样做会让代码变得复杂,完全没有必要:

    User user = new User("john@gmail.com", "1234", Optional.empty());
    

    使用重载方法来处理非要的参数要容易得多。

    Optional 主要用作返回类型。在获取到这个类型的实例后,如果它有值,你可以取得这个值,否则可以进行一些替代行为。

    Optional 类有一个非常有用的用例,就是将其与流或其它返回 Optional 的方法结合,以构建流畅的API。

    我们来看一个示例,使用 Stream 返回 Optional 对象的 findFirst() 方法:

    @Test
    public void whenEmptyStream_thenReturnDefaultOptional() {
        List<User> users = new ArrayList<>();
        User user = users.stream().findFirst().orElse(new User("default", "1234"));
    
        assertEquals(user.getEmail(), "default");
    }
    

    总结

    Optional 是 Java 语言的有益补充 —— 它旨在减少代码中的 NullPointerExceptions,虽然还不能完全消除这些异常。

    它也是精心设计,自然融入 Java 8 函数式支持的功能。

    总的来说,这个简单而强大的类有助于创建简单、可读性更强、比对应程序错误更少的程序。

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