前言

Java 8中引入了 Optional 类来解决 NullPointerException 与繁琐的 null 检查,该类首次出现在 Guava。Java 8 才成为类库中的一部分。

入门

Optional 是一个封装值的类,用于保存类型为 T 的值;本质上,Optional 就是一个容器。

举例来说,一个人可能有车也可能没有,那么 Person 类内部 car 变量就不应该声明为 Car,当变量存在时,Optional 类只是对 Car 的简单封装。变量不存在时,会使用 Optional.empty() 方法返回空的 Optional 对象。如下所示:

但是 null 引用和 Optional.empty() 有什么本质区别?从语义上,它们可以当成一回事儿,但实际上差别非常大:如果尝试解引用一个 null,一定会触发 NullPointerException,不过使用 Optional.empty() 是一个有效的对象。

下面我们来看一下 Optional 提供的功能。

创建

说到 Optional 的功能,我们首先要了解 Optional 实例的创建。

空Optional

正如前文提到,你可以通过静态工厂方法 Optional.empty,创建一个空的 Optional 对象:

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

因为 empty() 本身代表的就是空对象,所以调用 get 方法会抛出 NoSuchElementException 异常。

非空Optional

你还可以使用静态工厂方法 Optional.of ,依据一个非空值创建一个 Optional 对象:

Optional<Car> optional = Optional.of(car);

如果 car 是一个 null,这段代码会立即抛出一个 NullPointerException,而不是等到你试图访问 car 的属性值时才返回一个错误。

可为null的Optional

最后,使用静态工厂方法 Optional.ofNullable,你可以创建一个允许 null 值的 Optional 对象:

Optional<Car> optional = Optional.ofNullable(car);

如果 carnull,那么得到的 Optional 对象就是个空对象。我们可以查看一下它的实现原理:

public static <T> Optional<T> ofNullable(T value) {
return value == null ? empty() : of(value);
}

根据它的实现方式,我们可知,传入的值是空值时,会返回 Optional.empty() 空对象。这有利于我们封装那些可能为 null 的值。例如,有一个 Map<String, Object> 实例,访问 key 索引时,如果没有与 key 关联的值,则会返回一个 null。因此,我们可以使用 Optional.ofNullable 方法封装返回值:

Optional<Object> value = Optional.ofNullable(map.get("key"));
// 可以由上代码代替 Object value = map.get("key");

这样可以将潜在的 null 隐患替换为空的 Optional 对象。

操作

我们创建了 Optional 实例后,需要对该实例进行操作。

isPresent & get

Optional 类中,isPresent 方法对 Optional 实例进行判断,是否包含值,如果存在值,就返回 true,否则返回 false;与之相对的是 isEmpty 方法Optional 类中还有 get 方法,它是用来获取 Optional 实例中的值。

Optional<String> optional = Optional.of("is present");
if (optional.isPresent()) {
System.out.println("the value is " + optional.get());
}

isPresentget 一般组合使用来避免 NullPointerException

public boolean isPresent() {
return value != null;
}
public T get() {
if (value == null) {
throw new NoSuchElementException("No value present");
}
return value;
}

从源码中可看出,get 方法在取值时,要进行判空操作,如果不使用 isPresent 方法,可能会出现空指针异常。但是这种方式和在代码中if(null != value) 没有区别,因此我们要尽量避免使用该组合。

ifPresent

除了 isPresent 的简洁方法,Optional 还提供了接收函数式参数的接口 ifPresent

public void ifPresent(Consumer<? super T> action) {
if (value != null) {
action.accept(value);
}
}

该方法会接收一个消费型函数。如果 Optional 实例中的值不为空,则调用 Consumeraccept 方法对 value 进行消费,若为空则不做处理。上面的例子可以使用 ifPresent 重写:

Optional<String> optional = Optional.of("is present");
optional.isPresent((val) -> System.out.println("the value is " + val));

orElse

我们还可以使用 orElse 方法读取 Optional 中的值。

public T orElse(T other) {
return value != null ? value : other;
}

使用这种方式可以定义一个默认值,这种方式当遭遇 Optional 中的变量为空时,默认值会作为该方法的返回值。

String optGet = null;
String orElse = Optional.ofNullable(optGet).orElse("Default");
/**
* 输出结果:
* Default
*/

orElseGet

如果该方法不够,我们可以使用另一种方式 orElseGet

public T orElseGet(Supplier<? extends T> supplier) {
return value != null ? value : supplier.get();
}

该方法与 orElse 的区别就是值不存在时,调用实现 Supplier 接口的方法或Lambda表达式来返回默认值。

String optGet = null;
String orElse = Optional.ofNullable(optGet).orElse(() -> "Default");
/**
* 输出结果:
* Default
*/

orElseThrow

orElseThrow方法是在有值时返回其值,无值的时候会抛出由 Supplier 创建的异常。我们看一下它的实现原理:

public <X extends Throwable> T orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier) throws X {
if (value != null) {
return value;
} else {
throw exceptionSupplier.get();
}
}

orElseThrow 原理中,会传入一个Lambda表达式或方法,如果值不存在来抛出异常:

class NoValueException extends RuntimeException {
public NoValueException() {
super();
}
@Override
public String getMessage() {
return "No value present in the Optional instance";
}
}
public static Integer orElseThrow() {
return (Integer) Optional.empty().orElseThrow(NoValueException::new);
}
public static void main(String[] args) {
orElseThrow();
}
/**
* 控制台会抛出异常:
* Exception in thread "main" xx.NoValueException: No value present in the Optional instance
*/

orElseThroworElseGet 的区别就是一个在无值的时候抛出异常,一个在无值的时候使用Lambda表达式来实现默认值。

orElseThrow 只是在无值的时候抛出异常,那本身会抛出异常的方法呢?

现在,我们拿 Integer.parseInt(String) 做个例子:

public static Integer toInt(String s) {
try {
// 如果String能转换为对应的Integer,将其封装在Optional对象中返回
return Integer.parseInt(s);
} catch (NumberFormatException e) {
return null; // 返回null 或者抛出异常
}
}

在将 String 转换为 int 时,如果无法解析到对应的整型,该方法会抛出 NumberFormatException 异常。我们在该方法中使用 try/catch 语句捕获了该异常,不能使用 if 条件判断来控制一个变量的值是否为空。

这时,我们可以使用 Optional 类,来对无法转换的 String 时返回的非法值进行建模,因此,我们可以对上述方法进行改进:

public static Optional<Integer> toInt(String s) {
try {
// 如果String能转换为对应的Integer,将其封装在Optional对象中返回
return Optional.of(Integer.parseInt(s));
} catch (NumberFormatException e) {
return Optional.empty(); // 否则返回一个空的 Optional 对象
}
}

这种返回 Optional 的方式适用很多方法,我们只需要获取被 Optional 包装的值的实例即可。

map

Optional 提供了 map 方法用于从对象中提取信息,它的工作原理如下:

public<U> Optional<U> map(Function<? super T, ? extends U> mapper) {
Objects.requireNonNull(mapper);
if (!isPresent())
return empty();
else {
return Optional.ofNullable(mapper.apply(value));
}
}

map 操作会将提供的函数应用于流的每个元素。我们可以把 Optional 对象看成一种特殊的集合数据,它至多包含一个元素。如果 Optional 包含一个值,那通过实现了 Function 接口的 Lambda 表达式对值进行转换。如果不熟悉 Function 接口,可以参考这篇文章。map 方法示例如下:

class Car {
private String name;
private String type;
...省略getter与setter...
}
Optional<Car> optional = Optional.ofNullable(car);
Optional<String> name = optional.map(Car::getName);

flatMap

我们可以使用 map 方法来从被 Optional 类包装的 Person 类中获取 Car 的名称:

class Person {
private Optional<Car> car;
public Person(Car car) {
this.car = Optional.of(car);
}
...省略getter与setter...
}
Person person = new Person(new Car());
Optional<Person> optPerson = Optional.of(person);
Optional<String> name = optPerson.map(Person::getCar)
.map(Car::getName);

不幸的是,这段代码无法通过编译。为什么呢?optPersonOptional<Person> 类型的变量,调用 map 方法应该没有问题。但 getCar 返回的是一个 Optional<Car> 类型的对象,这意味着 map 操作的结果是一个 Optional<Optional<Car>> 类型的对象。因此,它对 getName 的调用是非法的,因为最外层的 optional 对象包含了另一个 optional 对象的值,而它当然不会支持 getName 方法。

所以,我们使用 flatMap 方法。该方法接受一个函数作为参数,这个函数的返回值是另一个流。

public <U> Optional<U> flatMap(Function<? super T, ? extends Optional<? extends U>> mapper) {
Objects.requireNonNull(mapper);
if (!isPresent()) {
return empty();
} else {
@SuppressWarnings("unchecked")
Optional<U> r = (Optional<U>) mapper.apply(value);
return Objects.requireNonNull(r);
}
}

参照 map 函数,使用 flatMap 重写上述的示例:

Optional<String> name = optPerson.flatMap(Person::getCar).map(Car::getName);

filter

有时候我们需要对 Optional 中的值进行过滤,获得我们需要的结果,我们就可以使用 filter 方法:

public Optional<T> filter(Predicate<? super T> predicate) {
Objects.requireNonNull(predicate);
if (!isPresent())
return this;
else
return predicate.test(value) ? this : empty();
}

该方法接受 Predicate 谓词作为参数。如果 Optional 对象的值存在,并且符合谓词的条件,即操作结果为truefilter 方法不做任何改变并返回其值;否则就将该值过滤掉并返回一个空的 Optional 对象。

Optional<String> optionalS = Optional.of("13846901234");
optionalS = optionalS.filter(s -> s.contains("138"));
/**
* 上述 `filter` 方法满足条件可以返回同一个Optional,否则返回空Optional
*/

总结

Java 8引入的 java.util.Optional<T> 让我们以函数式编程的方式处理 null,防止空指针异常;并支持多种方式用于操作值,比如:mapflatMapfilter,这样可以抛弃嵌套的 if-else 代码块,设计更好的 API,代码的可读性也大大提高,但是如果在域模型中使用 Optional,由于没有实现 Serializable 接口,不能进行实例化,也不能作为类的字段。

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