Java Optional

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。

背景介绍

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();
            }
        }
    }
}

这很容易就导致代码变得冗长，难以维护。

为了简化这个过程，下面来看看用 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

先看下 Optional 类的部分源码：

private static final Optional<?> EMPTY = new Optional<>();

private final T value;

private Optional() {
    this.value = null;
}

public static<T> Optional<T> empty() {
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Optional<T> t = (Optional<T>) EMPTY;
    return t;
}

private Optional(T value) {
    this.value = Objects.requireNonNull(value);
}

public static <T> Optional<T> of(T value) {
    return new Optional<>(value);
}

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

可以看出，Optional 类的两个构造方法都是 private 型的，因此类外部不能显示的使用 new Optional() 的方式来创建 Optional 对象，但是 Optional 类提供了三个静态方法 empty()、of(T value)、ofNullable(T value)来创建 Optinal 对象。

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();
}

毫无疑问，当调用 get() 方法获取 emptyOpt 的值时，会导致 NoSuchElementException 异常。

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);
}

上面的代码并没有完全摆脱 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：

//源码
public T get() {
    if (value == null) {
        throw new NoSuchElementException("No value present");
    }
    return value;
}

public void whenCreateOfNullableOptional_thenOk() {
    String name = "John";
    Optional<String> opt = Optional.ofNullable(name);

    assertEquals("John", opt.get());
}

不过，从源码可以知道，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：

//源码
public boolean isPresent() {
    return value != null;
}

public void whenCheckIfPresent_thenOk() {
    User user = new User("[email protected]", "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：

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

public void whenCheckIfPresent() {
    User user = new User("[email protected]", "1234");
    Optional<User> opt = Optional.ofNullable(user);
    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。

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。

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：

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

public void whenEmptyValue_thenReturnDefault() {
    User user = null;
    User user2 = new User("[email protected]", "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：

public void whenValueNotNull_thenIgnoreDefault() {
    User user = new User("[email protected]","1234");
    User user2 = new User("[email protected]", "1234");
    User result = Optional.ofNullable(user).orElse(user2);

    assertEquals("[email protected]", 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：

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

public void whenValueNotNull_thenIgnoreDefault() {
    User user = new User("[email protected]","1234");
    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。下面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它们的行为：

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("[email protected]", "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。

接下来看一个类似的示例，但这里 Optional 不为空：

public void givenPresentValue_whenCompare_thenOk() {
    User user = new User("[email protected]", "1234");
    logger.info("Using orElse");
    User result = Optional.ofNullable(user).orElse(createNewUser());
    logger.info("Using orElseGet");
    User result2 = Optional.ofNullable(user).orElseGet(() -> createNewUser());
}

这次的输出就不同了：

Using orElse
Creating New User
Using 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：

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

@Test(expected = IllegalArgumentException.class)
public void whenThrowException_thenOk() {
    User result = Optional.ofNullable(user)
      .orElseThrow( () -> new IllegalArgumentException());
}

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，下面来看看其它可以对 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。先从 map() 和 flatMap() 方法开始。

先来看一个使用 map() API 的例子：

//源码
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));
    }
}

public void whenMap_thenOk() {
    User user = new User("[email protected]", "1234");
    String email = Optional.ofNullable(user)
      .map(u -> u.getEmail()).orElse("[email protected]");

    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：

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

public void whenFlatMap_thenOk() {
    User user = new User("[email protected]", "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：

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

public void whenFilter_thenOk() {
    User user = new User("[email protected]", "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);
    }

    // ...
}

现在可以删除 null 检查，替换为 Optional 的方法：

public void whenChaining_thenOk() {
    User user = new User("[email protected]", "1234");

    String result = Optional.ofNullable(user)
      .flatMap(u -> u.getAddress())
      .flatMap(a -> a.getCountry())
      .map(c -> c.getIsocode())
      .orElse("default");

    assertEquals(result, "default");
}

上面的代码还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");

现在的代码看起来比之前采用条件分支的冗长代码就简洁多了。

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("[email protected]", "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。

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

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

    assertEquals(user.getEmail(), "default");
}

Java 9 增强

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。

具体的这里不再介绍，读者可自行查找。

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。

参考：
理解、学习与使用 Java 中的 Optional