烦人的 Null，你可以走开点了

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发布于: 2020 年 09 月 30 日
1. Null 的问题﻿
假设现在有一个需要三个参数的方法。其中第一个参数是必须的，后两个参数是可有可无的。
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第一种情况，在我们调用这个方法的时候，我们只能传入两个参数，对第三个参数，我们在上下文里是没有的，那么我们调用方法的时候，就需要用一个特殊值去告知这个方法：  
第三个参数我们拿不到，参数是不存在或者不明确的。  
这个特殊的值应该用什么呢？在 Java 中，我们会选择用 null 去表示这种情况。
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第二种情况，如果在调用方法的时候，我们有三个参数，只是第三个参数没有值，我们也需要传入一个特殊的值去表示：  
参数存在，但是没有值。  
这个特殊的值是什么呢？没错，在 Java 中，又是 null。
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你看到了，现在 null 值的含义本身出现了两个意思:
参数不存在
参数没有值
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二义性在计算机科学里是能避免就尽量避免的。所以，null 值的二义性是一个 Java 中的设计缺陷。不过，也不光是在 Java 语言中，null 的二义性在编程语言里是广泛存在的一个问题。这个问题被称为 Null 引用问题。
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Null 引用是计算机科学中一个历史悠久又臭名昭著的问题。在 1964 年，由快排算法的创造者东尼·霍尔发明。他自称这是个十亿美元的错误。
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在 Java 中，当我们去调用一个对象值为 null 的方法或者属性时，就会报 java.lang.NullPointerException，简称为 NPE。
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传统上，这些 NPE 问题，必须完全依赖程序员本身细致周密的检查，对于 null 的检查充斥在了 Java 代码的字里行间，让代码变得臃肿丑陋，非常恶心。
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同时，由于 NPE 的二义性问题，开发人员往往无法完全防护住 NPE，这使得 NPE 成为了开发人员的噩梦。明明逻辑上，一个对象是存在的，只是不知道其明确含义，但是只要引用了这个没有明确含义值的对象的方法，就会被告知NPE，简直让人防不胜防。
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并且，更可恶的是，在 Java 中，NPE 是运行期异常，这就意味着 NPE 无法早期发现，只有上线运行了，才可能出现问题。
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讨厌的 null，成本巨大的 NPE，让 Java 开发人员在不断地实践中，采用了各种方法去对付 null，让我们看看这些方法。
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NPE 是运行期异常，只会在系统运行期间造成，所以导致代码检查无法提前发现它。如果我们能想办法把在运行期出现的 NPE，提前在编译代码时探测到，那么我们就会大大减轻 NPE 对系统造成的损害。
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于是，@NonNull 这个注解横空出世了。
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2. 横空出世的注解﻿
@NonNull 这个注解就是一个标记，这个标记可以和 IDE 联动：当可能出现 NPE 时，IDE 会标出警告。
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我们先看一段代码：
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上面的代码没有加入 @NonNull，可以看到 IDE 并没有给出什么警告。
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让我们加上 @NonNull 注解看看:
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可以看到，Idea 和 @NonNull 注解形成了联动，并给出了可能出现 NPE 的警告。
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有了这个警告，其实对一个复杂的项目来说还不够，因为这些警告很容易就会被忽略过去了，即使忽略了，项目依然可以编译运行起来。
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那么，我们是不是可以再增加一步检查？当检查到了可疑的 NPE，根本不允许编译通过。是时候给大家介绍一下 findbugs 了！
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3. findbugs 出场了﻿
我们先在 maven 中配置好 findbugs：
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<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <groupId>com.github</groupId>
    <artifactId>leetcodeMaster</artifactId>
    <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    <build>
        <resources>
            <resource>
                <directory>src/main/resources</directory> <!--扫描resources包下的配置文件-->
                <filtering>true</filtering>
                <includes>
                    <include>**/*.xml</include>
                    <include>**/*.properties</include>
                </includes>
            </resource>
            <resource>
                <directory>src/main/java</directory><!--扫描java包下的配置文件-->
                <includes>
                    <include>**/*.xml</include>
                    <include>**/*.properties</include>
                </includes>
            </resource>
        </resources>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <source>8</source>
                    <target>8</target>
                </configuration>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.codehaus.mojo</groupId>
                <artifactId>findbugs-maven-plugin</artifactId>
                <version>3.0.5</version>
                <configuration>
                    <!-- 设置分析工作的等级，可以为Min、Default和Max -->
                    <effort>Low</effort>
                    <!-- Low、Medium和High (Low最严格) High只扫描严重错误。建议用Medium-->
                    <threshold>Medium</threshold>
                    <failOnError>true</failOnError>
                    <includeTests>true</includeTests>
                    <!--findbugs需要忽略的错误的配置文件-->
<!--                    <excludeFilterFile>conf/findbugs-exclude-filter.xml</excludeFilterFile>-->
                    <!--findbugs需要忽略的错误的配置文件-->
                    <includeFilterFile>conf/findbugs-include-filter.xml</includeFilterFile>
                </configuration>
                <executions>
                    <execution>
                        <id>run-findbugs</id>
                        <!-- 在package(也可设为compile) 阶段触发执行findbugs检查，比如执行 mvn clean package -->
                        <phase>compile</phase>
                        <goals>
                            <goal>check</goal>
                        </goals>
                    </execution>
                </executions>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
    <dependencies>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/com.google.guava/guava -->
        <dependency>
            <groupId>com.google.guava</groupId>
            <artifactId>guava</artifactId>
            <version>19.0</version>
        </dependency>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.commons/commons-lang3 -->
        <dependency>
            <groupId>org.apache.commons</groupId>
            <artifactId>commons-lang3</artifactId>
            <version>3.3.2</version>
        </dependency>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/com.google.code.findbugs/jsr305 -->
        <dependency>
            <groupId>com.google.code.findbugs</groupId>
            <artifactId>jsr305</artifactId>
            <version>3.0.2</version>
        </dependency>
    </dependencies>
</project>
紧接着运行maven，对项目进行编译。  
mvn clean compile findbugs:findbugs 
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可以看到，findbugs 发现可能会在运行期间出现 NPE 后，中断了项目构建过程。
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我们再打开 findbugs 的界面看看具体的报错位置:
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你瞧，findbugs 准确的找到了可能出现 NPE 的根源。
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通过以上这些手段，我们尽可能的将 NPE 提前到编译期发现。
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但是啊但是，对一个规模庞大且复杂的项目来说，光使用静态代码检查还是不够的。因为类似 findbugs 这种的静态代码检查工具，不可能对每个 NPE 的检查点都检查到位。并且，探测的问题有时候因为业务原因，也会放松检查要求。
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别慌，我们可以让静态代码检查再加上一些别的方法，来联手堵住 NPE 问题，这就是我们下面要说的 Optional。
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4. 用 Optional 去除二义性﻿
由于铺天盖地的 null 检查，使得 Java 程序员叫苦不堪。于是官方自 Java8 起，参考了 google 的 guava，引入了 Optional 类型用来避免每次繁琐丑陋的 null 检查。
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Optional 本质上就是一个容器，这个容器持有了一个变量类型为 T 的值。所以，Optional 这个容器中的值只会有两种情况，要么为类型 T 的变量值，要么为null。
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对于可能出现的为 null 的情况，Optional 本身从创建、检查，到抽取、使用，都提供了对应的方法供使用者调用。并采用了意义很明确的方法去排除了null的二义性。
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我们看示例代码：
class Player{
    private int id;
    private String name;
    public int getId() {
        return id;
    }
    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
public class Optional4NPE {
    public static void main(String[] args) {
        Optional<Player> optionalPlayer = Optional.ofNullable(null);
        optionalPlayer.ifPresent(u -> System.out.println(u.getName()));
    }
}
以上代码我们使用了一个 Optional 中的 ofNullable，去创建了一个包含了类型为 Player、值为 null 的 Optional 容器。
﻿
运行结果：  
'Process finished with exit code 0'
﻿
运行后，代码没有任何输出，也没有出现 NPE 异常。没有输出的原因是我们传入了一个 null 值，这个 null 表示值不存在。此时，我们调用 Optional 的 ifPresent 方法做了判断，只有存在值时，才会执行打印输出。
﻿
接下来，我们把 null 替换成有意义的值看看。
import java.util.Optional;
class Player{
    private int id;
    private String name;
    public int getId() {
        return id;
    }
    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
public class Optional4NPE {
    public static void main(String[] args) {
        Player player = new Player();
        player.setId(1);
        player.setName("demoUser");
        Optional<Player> optionalPlayer = Optional.ofNullable(player);
        optionalPlayer.ifPresent(u -> System.out.println(u.getName()));
    }
}
﻿
输出结果:
demoUser
Process finished with exit code 
﻿
可以看到，当传入一个我们创建的 player 时，执行了打印输出方法。
﻿
上面我们已经发现，通过 Optional 的 ifPresent 方法，我们明确了 null 的含义，明确认定只要值为 null，就表示不存在。那如果一个变量存在，但是没有值或者没有有意义的值呢？
﻿
我们把代码改改：
import java.util.Optional;
class Player{
    private int id;
    private String name;
    public int getId() {
        return id;
    }
    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
public class Optional4NPE {
    public static void main(String[] args) {
        Player player = null;
        Player defaultPlayer = new Player();
        defaultPlayer.setId(1);
        defaultPlayer.setName("————undefinedNAME-----");
        Player player1 = Optional.ofNullable(player).orElse(defaultPlayer);
        System.out.println(player1.getName());
    }
}
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运行结果如下:
————undefinedNAME-----
Process finished with exit code 0
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这里可以看到，我们使用 orElse 方法，当一个变量值为 null 时，返回一个默认值。通过返回默认值，我们明确了 null 的另外一个含义，对象存在，但是可能没有实际意义。
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Optional 的出现，大大改善了我们的 Java 代码质量，减少了 NPE 的可能性，并使得代码的可读性大大增强。
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通过使用 Optional，开发人员还能非常自然轻松的使用 Null Object Pattern 模式去处理 Null 问题。Optional 是非常值得在项目中大范围使用的。
﻿
5. 总结﻿
最后总结一下。
﻿
我们在项目中综合利用 @NonNull 注解，findbugs 静态代码检查，还有引入 Optional 等方式，大大减少了 NPE 出现的场合。
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不过，有一说一，这些方法也会加大项目开发复杂度，增大了编译测试时间。
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同时，使用好 findbugs 也是有一些门槛的，其本身检测代码有时候严格程度也很难把握。Optional本身也提供了 of 方法，这个方法不小心也会引入新的 NPE 问题。
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但是，我认为这些相对于 NPE 可能对线上系统造成的损失而言，都是值得的。我们现在可以说：  
NPE，你可以走开点了。
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