本文也发在我的个人博客上：https://hltj.me/java/2021/01/09/java-exercise-nulls.html?。
这个系列以练习为主，可能不会有多少讲述（当然本篇例外），可以作为初学者的自学验收之用。
Java 中有非受限的空值，并且不知哪时会引发 NPE（即?class="language-plaintext highlighter-rouge" style="font-size: 15px; border: 1px solid #e8e8e8; border-radius: 3px; background-color: #eeeeff; padding: 1px 5px; font-family: SFMono-Regular, Menlo, 'DejaVu Sans Mono', 'Liberation Mono', Consolas, Monaco, 'Courier New', Courier, monospace;">NullPointerException），解决这个问题对于 Android 开发来说很简单——用 Kotlin 就好了。 其实不仅限于 Android，对于服务端开发来说终极方案也应该是迁移到 Kotlin。 因为只要用 Java，空值问题就没办法彻底解决（之前在《现代编程语言系列2：安全表达可选值》中也提到过这点），而 JVM 平台主流工业级语言中只有 Kotlin 很好地解决了这一问题。
但是对于服务端开发来说，常有各种非技术原因不能在项目中以 Kotlin 取代 Java，对于这些项目来说显然没办法彻底解决空值问题。 那么有没有一些方法与工具可以让空值问题处理起来尽可能规范、简易些呢？这里有几点经验分享。
一些典型场景的 NPE 可以通过编码习惯来防御——某些静态分析工具或许也能检测到一些问题，但很难完美覆盖； 没办法，只能通过编码规范、程序员的自律来解决了。 其中比较常见的两个场景是空值比较以及使用不可变集合。
对实际值为?null?的变量调用包括?equals()?在内的任何方法都会导致 NPE。 因此比较可空值（通常为变量）与非空值（通常为常量，不尽然）时，以可空值为参数对非空值调?equals()?即可避免这个问题。 例如：
if ("Hello".equals(nullableStr)) {
……
}
如果比较两个可空值怎么办呢？用?Objects.equals()，例如：
if (Objects.equals(nullableObj1, nullableObj2)) {
……
}
Java 9 引入的?List.of()、Set.of()、Map.of()、Map.entry()?以及 Java 10 引入的?List.copyOf()、Set.copyOf()、Map.copyOf()、Collectors.toUnmodifiableList()、Collectors.toUnmodifiableSet()、Collectors.toUnmodifiableMap()?等均不支持?null，其中构造不可变的?Map?与?Map.Entry?时 key、value 均不能为?null。 还需要注意的一点是不能以?null?值调用不可变集合的?contains()?/?containsKey()?/?containsValue()?/?containsAll()?方法，其中?containsAll()?还要求参数集合中不能有?null。
例如：
List.of("a", null); // NPE：元素不可以有空值
Map.of("a", 1, null, 2); // NPE：key 不可有空值
Map.of("a", 1, "b", null); // NPE：value 不可有空值
Map.entry("hello", null); // NPE：value 不可有空值
var map = new HashMap<String, Integer>();
map.put("a", 1);
Map.copyOf(map); // OK
map.put(null, 2);
Map.copyOf(map); // NPE：key 不可有空值
// NPE：元素不可以有空值
Stream.of((String)null).collect(Collectors.toUnmodifiableList());
// NPE：不能用 null 调用不可变集合的 containsKey() 方法
Map.of("a", "b").containsKey(null);
千万不要因为这点而放弃不可变集合。 不可变集合本身有很多优势，Java 10 及以后版本也推荐使用不可变集合。 只是需要特别注意上述几点：构造字面值时不能有?null、调用?contains()?/?containsKey()?等之前需要判断参数是否为?null、调用?collect()?/?copyOf()?/?containsAll()?之前去除参数集合中的?null?值。 例如：
var isInSet = nullableStr != null && Set.of("hello", "world").contains(nullableStr);
Stream.of("hello", (String)null, "world").filter(Objects::nonNull).collect(Collectors.toList());
var map = new HashMap<String, Integer>();
map.put("a", 1);
map.put(null, 2);
map.put("b", null);
map.entrySet().stream()
.filter(entry -> entry.getKey() != null && entry.getValue() != null)
.collect(Collectors.toUnmodifiableMap(Map.Entry::getKey, Map.Entry::getValue));
Java 中解决可选值问题，首先应该想到的就是?Optional。?Optional?是 Java 8 引入的可选值类型，用于在很多场景中取代?null?来表达可选值，进而避免?null?所带来问题。
Optional?的用法Optional?的核心方法有?map()、flatMap()、orElse()?与?orElseGet()。
map()：由一个可选值得到另一个可选值
例如对于一个可选的字符串，计算其长度：
var lengthOpt = Optional.ofNullable(nullableString).map(String::length);
flatMap()：处理可选值嵌套情况
例如，从可空整数列表中取第一个非零值，从列表中取第一个元素可以用?Stream<Integer>#findFirst()，该方法返回?Optional<Integer>，如果继续用?map()?的话，会得到可选值的可选值：
Optional<Optional<Integer>> intOptOpt = Optional.ofNullable(nullableIntList).map(intList ->
intList.stream().filter(i -> i > 0).findFirst()
);
而用?flatMap()?会将两层?Optional?打平为一层：
Optional<Integer> intOpt = Optional.ofNullable(nullableIntList).flatMap(intList ->
intList.stream().filter(i -> i > 0).findFirst()
);
orElse()、orElseGet()：由可选值得到值，如果无值取默认值
例如，对于可选字符串，有值取长度，无值取?0，可以用?orElse()?得到一个整数：
int length = strOpt.map(String::length).orElse(0);
如果默认值需要惰性求值，那么还可以用?orElseGet()：
int lengthOrRandom = strOpt.map(String::length).orElseGet(() ->
new Random().nextInt()
);
还有一个特别的场景，就是将?Optional<T>?转换为可空的?T?值时千万不能想当然地调?get()——它在无值时抛?NoSuchElementException?而不是返回?null（参见其文档）。 正确的方式是?orElse(null)。例如：
Integer lengthOrNull = strOpt.map(String::length).orElse(null);
Optional?的其他方法在特定场景也很实用，由于方法不多，大家可以直接读其文档，在此不再赘述。
Optional?的问题很多文章称?Optional?是 Java 8 针对 NPE 问题甚至十亿美元问题的解决方案，实际上远非如此。且不说在 Java 中没办法强制使用?Optional?而不用?null，即便?Optional?自身用起来也有很多局限性。
Optional?对象自身也可能为?null
一个特别坑的问题是?Optional?是引用类型，因此一个?Optional?对象自身也可能为?null，例如：
Optional<String> strOpt = null;
strOpt.map(String::length); // NPE
当然?Optional?的官方文档称?Optional?类型值不应该为?null，在 IDEA 中写上述代码也会标出警告，但 Java 语法与编译器并不会为此提供任何保障或约束。
Optional?不可序列化
Optional?不可序列化，这就意味着需要序列化的场景还得用?null?来表达可选值，这也是上文特别提到由?Optional?转换可空值的主要原因。 鉴于此，Optional?不适合作为类的字段，也不适合作为方法的入参，只适用于局部变量、返回值以及表达式中间结果等场景。 IDEA 也会对?Optional?用作字段或者参数时标记警告。
不够简洁
与受限空值语法相比，Optional?用法要冗长的多，当然这很符合 Java 的历史风格。 对于受限空值的??.?语法，Optional?要用?map()?与?flatMap()；对于??:/???语法要用?orElse()?或?orElseGet()。 其实对于采用可选值类型的其他语言来说可能都有类似问题，但是?Haskell、Scala?有推导式，Haskell、Scala、OCaml、F#?等语言还支持自定义caozuofu.html" target="_blank">操作符，从而简化可选值的用法。 不幸的是 Java 不具备这些语法。
在 Java 中没办法强制区分可空与非空类型，而有时又希望能在字段、参数或者返回值上标注是否可空，以便 IDE 或者其他静态检查工具能够识别并给出提醒。
我们看个示例，实现一个简陋版的??:/??：
public static <T> T defaultWith(T obj, T defaultVal) {
return Optional.of(obj).orElse(defaultVal);
}
当?obj?非空时该方法返回?obj，否则返回?defaultVal。 但是实际上事与愿违，这个方法在?obj?为空时不会返回?defaultVal，而是抛 NPE。 原因是?Optional.of()?只接受非空参数，如果参数为空就会抛 NPE。 遗憾的是编写与编译这段代码都不会收到任何警告或提醒，因为无论 IDE 还是编译器都无从知晓这个方法的入参?obj?可能为空。
此时，如果我们给?obj?加一个?edu.umd.cs.findbugs.annotations.Nullable?注解，IDEA 就会对方法中使用?obj?调用?Optional.of()?标出警告提醒：“Argument ‘obj’ might be null”。 改为调用?Optional.ofNullable()?警告就消失了。 而如果希望?defaultVal?要求非空的话，还可以对?defaultVal?标注?edu.umd.cs.findbugs.annotations.NonNull，这样一来方法的返回值也会非空，同样可以标注?NonNull：
@NonNull
public static <T> T defaultWith(@Nullable T obj, @NonNull T defaultVal) {
return Optional.ofNullable(obj).orElse(defaultVal);
}
当然，这只是关于可空性注解使用场景的一个示例，实际上并不需要我们自己造一个这样的轮子，因为有现成的轮子可用（见下文）。 上述?Nullable?与?NonNull?两个注解来自于?spotbugs-annotations。类似的还有?Checker Framework 的 Nullness Checker、JetBrains 的 java-annotations、Lombok 的 NonNull?等。
Apache Commons?有多个库提供了简化空值使用的工具。例如实现类似??:/???的功能，使用?Optional?需要这样写：
var nonNullVal = Optional.ofNullable(obj).orElse(nonNullDefault);
而使用 Apache Commons 只需调用一个类似上文实现的静态方法就可以了。
StringUtils?是?Commons Lang?中的一个工具类，其中包含一系列与字符串空值相关的方法。
isEmpty()?与?isNotEmpty()
前者判断一个字符序列是否为?null?或空序列，后者与之相反——判断一个字符序列既非?null?也非空序列。 这两个方法非常实用，现实业务中对字符串为?null?或空串时走同样处理分支的场景很常见。
defaultString()
defaultString(str, defaultStr)?如果?str?非?null?返回?str，否则返回?defaultStr。 还有一个单参重载版本：defaultString(str)?如果非?null?返回?str，否则返回空串。
defaultIfEmpty()
defaultIfEmpty(str, defaultStr)?如果?str?既非?null?也非空串返回?str，否则返回?defaultStr。
getIfEmpty()
相当于默认值采用惰性求值的?defaultIfEmpty()，getIfEmpty(str, () -> ……)?当?str?既非?null?也非空串时返回?str，否则对 lambda 表达式求值并以其返回值作为?getIfEmpty()?的返回值。
firstNonEmpty()
对于一系列值，返回第一个既非?null?也非空串的。
isAllEmpty()、isAnyEmpty()、isNoneEmpty()
对于一系列值，判断是否全都是、其中有、全都不是?null?或空串。
除了这些明显与空值相关的方法外，StringUtils?的其他方法也都会对?null?特殊处理而不是引发 NPE（个别的会抛其他异常）。
与?StringUtils?类似，Commons Collections?中的?CollectionUtils、IterableUtils、ListUtils、SetUtils、MapUtils?等也有提供?null?与空集合合并处理的方法，只是没有那么丰富。
emptyIfNull()
CollectionUtils、IterableUtils、ListUtils、SetUtils、MapUtils?等均有提供该方法，如果参数非?null?返回参数本身，否则返回对应类型的空集合。
isEmpty()?与?isNotEmpty()
CollectionUtils（可以用于?Collection?及其子类型如?List、Set） 与?MapUtils?提供了这两个方法。前者判断是否为?null?或为空集合，后者相反——判断既非?null?也非空集合。
CollectionUtils、IterableUtils、ListUtils、SetUtils、MapUtils?等提供的大多数其他方法也都会对?null?特殊处理而不是引发 NPE，个别会抛 NPE 的方法文档中也有说明。
更通用的情况还可以用 Commons Lang 中的工具类?ObjectUtils。
defaultIfNull()
类似上文自行实现的?defaultWith()，不过并没有标可空性注解。?defaultIfNull(obj, defaultVal)?当?obj?非空时返回?obj?否则返回?defaultVal。
getIfNull()
相当于默认值采用惰性求值的?defaultIfNull()，getIfNull(obj, () -> ……)?当?obj?非空时返回?obj，否则对 lambda 表达式求值并以其返回值作为?getIfNull()?的返回值。
firstNonNull()
对于一系列值，返回第一个非空的。
getFirstNonNull()
可以看作是惰性求值版的?firstNonNull()，对于一系列求值过程返回第一个求值结果非空的结果。 例如?getFirstNonNull(() -> null, () -> "hello", () -> throw new IllegalStateException())?会返回?"hello"?而不会执行后面的求值过程，因此不会抛?IllegalStateException。
allNotNull、allNull、anyNotNull、anyNull
对于一系列值，判断是否全都非、全都是、其中有非、其中有空值。
ObjectUtils?中的大多数其他方法也都会对空值特殊处理而不是引发 NPE。除了?StringUtils、ObjectUtils?之外，Commons Lang 中的?BooleanUtils、NumberUtils?也都提供了一系列空安全的工具方法。
抛砖引玉，欢迎补充。
Java 语言自身目前没办法彻底解决空值问题，不过有一些方法、工具可以用：
Optional光说不练无异于纸上谈兵，接下来的练习才是重中之重。
以下练习中未标注解的变量，如果变量名以?x?开头也表示可能为空。
为什么不直接用?
nullableXyz?这种更明显的方式？因为现实代码中通常更不明显。
if (xMethod.equals("POST")) {
doPost();
}
if (xArg1.equals(xArg2)) {
System.out.println("arg1 == arg2");
}
var map1 = Map.of("abc", 10, "def", 20, xStr, 30);
var list1 = Arrays.asList(1, 2, -3, 9, null, 15);
var set1 = Set.copyOf(list1);
if (Map.of("hello", 1, "world", 2).containsKey(xStr)) {
System.out.println("either 'hello' or 'world'");
}
public static <T, U> U mapSome(T x, Function<T, U> mapper) {
return x == null ? null: mapper.apply(x);
}
Optional?重构上题?mapSome()
注：只是练习?
Optional?的使用，上题的实现并不需要以?Optional?取代。
Optional?重构Integer xInt = Math.random() > 0.8 ? null : Math.random() > 0.5 ? 5 : 12;
// 重构以下代码
var x1 = (xInt == null || xInt % 2 != 0) ? null : xInt / 2;
if (x1 != null) {
System.out.println(x1);
}
Optional?重构?getTitledContent()
@NonNull
public static String getUpperTitle(@Nullable Post post) {
if (post == null || post.getTitle() == null) {
log.warning("no title")
return "- UNTITLED -";
}
return post.getTitle().toUpperCase();
}
public class Post {
@Nullable
public String getTitle();
}
StringUtils?将?getChoice()?的实现重构成一行代码String getChoice(String choice, boolean highest) {
if (choice != null && !choice.isEmpty())
return choice;
if (highest)
return "High";
return "Low";
}
getIdsString()
private static final List<Integer> IMPLICIT_IDS = List.of(101, 111, 191);
public static String getIdsString(@Nullable Collection<@NonNull Integer> ids) {
if (ids == null) {
return IMPLICIT_IDS.stream()
.map(Object::toString)
.collect(Collectors.joining());
}
return Stream.concat(ids.stream(), IMPLICIT_IDS.stream())
.map(Object::toString)
.collect(Collectors.joining());
}
BooleanUtils?重构public static String toHex(int n, @Nullable Boolean useUpper) {
String s = Integer.toString(n, 16);
return useUpper != null && useUpper ? s.toUpperCase() : s;
}
ObjectUtils?重构public static Instant tomorrowOf(@Nullable Instant x) {
if (x == null) {
log.debug("the base Date is null");
x = Instant.now();
}
return x.plus(Duration.ofDays(1));
}
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