Java 编程问题:十二、`Optional`

发布时间:2023-02-07 19:30

原文:Java Coding Problems

协议:CC BY-NC-SA 4.0

贡献者:飞龙

本文来自【ApacheCN Java 译文集】,自豪地采用谷歌翻译

本章包括 24 个问题,旨在提请您注意使用Optional的几个规则。本节介绍的问题和解决方案基于 Java 语言架构师 Brian Goetz 的定义:

Optional旨在为库方法返回类型提供一种有限的机制,在这种情况下,需要有一种明确的方式来表示无结果,并且使用null表示这种结果极有可能导致错误。”

但有规则的地方也有例外。因此,不要认为应该不惜一切代价遵守(或避免)这里提出的规则(或实践)。一如既往,这取决于问题,你必须评估形势,权衡利弊。

您还可以检查 CDI 插件。这是一个利用Optional模式的 Jakarta EE/JavaEE 容错保护。它的力量在于它的简单。

问题

使用以下问题来测试你的Optional编程能力。我强烈建议您在使用解决方案和下载示例程序之前,先尝试一下每个问题:

  1. 初始化Optional:编写一个程序,说明初始化Optional的正确和错误方法。
  2. Optional.get()和缺失值:编写一个程序,举例说明Optional.get()的正确用法和错误用法。
  3. 返回一个已经构造好的默认值:编写一个程序,当没有值时,通过Optional.orElse()方法设置(或返回)一个已经构造好的默认值。
  4. 返回一个不存在的默认值:编写一个程序,当没有值时,通过Optional.orElseGet()方法设置(或返回)一个不存在的默认值。
  5. 抛出NoSuchElementException:编写一个程序,当没有值时抛出NoSuchElementException类型的异常或另一个异常。
  6. Optionalnull引用:编写一个例示Optional.orElse(null)正确用法的程序。
  7. 消耗当前Optional:通过ifPresent()ifPresentElse()编写消耗当前Optional类的程序。
  8. 返回当前Optional类或另一个:假设我们有Optional。编写一个依赖于Optional.or()返回这个Optional(如果它的值存在)或另一个Optional类(如果它的值不存在)的程序。
  9. 通过orElseFoo()链接 Lambda:编写一个程序,举例说明orElse()orElseFoo()的用法,以避免破坏 Lambda 链。
  10. 不要仅仅为了得到一个值而使用Optional:举例说明将Optional方法链接起来的坏做法,目的只是为了得到一些值。
  11. 不要将Optional用于字段:举例说明声明Optional类型字段的不良做法。
  12. 在构造器参数中不要使用Optional:说明在构造器参数中使用Optional的不良做法。
  13. 不要在设置器参数中使用Optional:举例说明在设置器参数中使用Optional的不良做法。
  14. 不要在方法参数中使用Optional:举例说明在方法参数中使用Optional的不良做法。
  15. 不要使用Optional返回空的或null集合或数组:举例说明使用Optional返回空的/null集合或数组的不良做法。
  16. 在集合中避免Optional:在集合中使用Optional可能是一种设计气味。举例说明一个典型的用例和避免集合中的Optional的可能替代方案。
  17. 混淆of()ofNullable():举例说明混淆Optional.of()ofNullable()的潜在后果。
  18. OptionalOptionalInt:举例说明非泛型OptionalInt代替Optional的用法。
  19. 断言Optional类的相等:举例说明断言Optional类的相等。
  20. 通过map()flatMap()转换值:写几个代码片段来举例说明Optional.map()flatMap()的用法。
  21. 通过Optional.filter()过滤值:举例说明Optional.filter()基于预定义规则拒绝包装值的用法。
  22. 链接OptionalStreamAPI:举例说明Optional.stream()用于链接OptionalAPI 和StreamAPI。
  23. Optional和身份敏感操作:编写一段代码,支持在Optional的情况下应避免身份敏感的操作。
  24. 返回Optional是否为空的boolean:写两段代码举例说明给定Optional类为空时返回boolean的两种解决方案。

解决方案

以下各节介绍上述问题的解决方案。记住,通常没有一个正确的方法来解决一个特定的问题。另外,请记住,这里显示的解释仅包括解决问题所需的最有趣和最重要的细节。下载示例解决方案以查看更多详细信息,并在这个页面中试用程序。

226 初始化Optional

初始化Optional应该通过Optional.empty()而不是null进行:

// Avoid
Optional book = null;

// Prefer
Optional book = Optional.empty();

因为Optional是一个容器(盒子),所以用null初始化它是没有意义的。

227 Optional.get()和缺失值

因此,如果我们决定调用Optional.get()来获取Optional中包含的值,那么我们不应该按如下方式进行:

Optional book = ...; // this is prone to be empty

// Avoid
// if "book" is empty then the following code will
// throw a java.util.NoSuchElementException
Book theBook = book.get();

换句话说,在通过Optional.get()获取值之前,我们需要证明值是存在的。解决方案是先调用isPresent(),再调用get()。这样,我们添加了一个检查,允许我们处理缺少值的情况:

Optional book = ...; // this is prone to be empty

// Prefer
if (book.isPresent()) {
  Book theBook = book.get();
  ... // do something with "theBook"
} else {
  ... // do something that does not call book.get()
}

不过,要记住isPresent()-get()团队信誉不好,所以谨慎使用。考虑检查下一个问题,这些问题为这个团队提供了替代方案。而且,在某个时刻,Optional.get()很可能被否决。

228 返回已构造的默认值

假设我们有一个基于Optional返回结果的方法。如果Optional为空,则该方法返回默认值。如果我们考虑前面的问题,那么一个可能的解决方案可以写成如下:

public static final String BOOK_STATUS = "UNKNOWN";
...
// Avoid
public String findStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  if (status.isPresent()) {
    return status.get();
  } else {
    return BOOK_STATUS;
  }
}

嗯,这不是一个坏的解决方案,但不是很优雅。一个更简洁和优雅的解决方案将依赖于Optional.orElse()方法。在Optional类为空的情况下,当我们想要设置或返回默认值时,这个方法对于替换isPresent()-get()对非常有用。前面的代码片段可以重写如下:

public static final String BOOK_STATUS = "UNKNOWN";
...
// Prefer
public String findStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  return status.orElse(BOOK_STATUS);
}

但要记住,即使涉及的Optional类不是空的,也要对orElse()进行求值。换句话说,orElse()即使不使用它的值也会被求值。既然如此,最好只在其参数是已经构造的值时才依赖orElse()。这样,我们就可以减轻潜在的性能惩罚。下一个问题是orElse()不是正确的选择时解决的。

229 返回不存在的默认值

假设我们有一个方法,它基于Optional类返回结果。如果该Optional类为空,则该方法返回计算值。computeStatus()方法计算此值:

private String computeStatus() {
  // some code used to compute status
}

现在,一个笨拙的解决方案将依赖于isPresent()-get()对,如下所示:

// Avoid
public String findStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  if (status.isPresent()) {
    return status.get();
  } else {
    return computeStatus();
  }
}

即使这种解决方法很笨拙,也比依赖orElse()方法要好,如下所示:

// Avoid
public String findStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  // computeStatus() is called even if "status" is not empty
  return status.orElse(computeStatus());
}

在这种情况下,首选解决方案依赖于Optional.orElseGet()方法。此方法的参数是Supplier;,因此只有在Optional值不存在时才执行。这比orElse()好得多,因为它避免了我们执行当Optional值存在时不应该执行的额外代码。因此,优选方案如下:

// Prefer
public String findStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  // computeStatus() is called only if "status" is empty
  return status.orElseGet(this::computeStatus);
}

230 抛出NoSuchElementException

有时,如果Optional为空,我们希望抛出一个异常(例如,NoSuchElementException)。这个问题的笨拙解决方法如下:

// Avoid
public String findStatus() {

  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  if (status.isPresent()) {
    return status.get();
  } else {
    throw new NoSuchElementException("Status cannot be found");
  }
}

但一个更优雅的解决方案将依赖于Optional.orElseThrow()方法。此方法的签名orElseThrow(Supplier exceptionSupplier)允许我们给出如下异常(如果存在值,orElseThrow()将返回该值):

// Prefer
public String findStatus() {

  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  return status.orElseThrow(
    () -> new NoSuchElementException("Status cannot be found"));
}

或者,另一个异常是,例如,IllegalStateException

// Prefer
public String findStatus() {

  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  return status.orElseThrow(
    () -> new IllegalStateException("Status cannot be found"));
}

从 JDK10 开始,Optional富含orElseThrow()风味,没有任何争议。此方法隐式抛出NoSuchElementException

// Prefer (JDK10+)
public String findStatus() {

  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  return status.orElseThrow();
}

然而,要注意,在生产中抛出非受检的异常而不带有意义的消息是不好的做法。

231 Optional和空引用

在某些情况下,可以使用接受null引用的方法来利用orElse(null)

本场景的候选对象是 Java 反射 APIMethod.invoke()(见第 7 章、“Java 反射类、接口、构造器、方法、字段”。

Method.invoke()的第一个参数表示要调用此特定方法的对象实例。如果方法是static,那么第一个参数应该是null,因此不需要对象的实例。

假设我们有一个名为Book的类和辅助方法,如下所示。

此方法返回空的Optional类(如果给定方法是static)或包含Book实例的Optional类(如果给定方法是非static):

private static Optional fetchBookInstance(Method method) {

  if (Modifier.isStatic(method.getModifiers())) {
    return Optional.empty();
  }

  return Optional.of(new Book());
}

调用此方法非常简单:

Method method = Book.class.getDeclaredMethod(...);

Optional bookInstance = fetchBookInstance(method);

另外,如果Optional为空(即方法为static,则需要将null传递给Method.invoke(),否则传递Book实例。笨拙的解决方案可能依赖于isPresent()-get()对,如下所示:

// Avoid
if (bookInstance.isPresent()) {
  method.invoke(bookInstance.get());
} else {
  method.invoke(null);
}

但这非常适合Optional.orElse(null)。以下代码将解决方案简化为一行代码:

// Prefer
method.invoke(bookInstance.orElse(null));

根据经验,只有当我们有Optional并且需要null引用时,才应该使用orElse(null)。否则,请避开orElse(null)

232 使用当前Optional

有时候,我们想要的只是消费一个类。如果Optional不存在,则无需进行任何操作。不熟练的解决方案将依赖于isPresent()-get()对,如下所示:

// Avoid
public void displayStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  if (status.isPresent()) {
    System.out.println(status.get());
  }
}

更好的解决方案依赖于ifPresent(),它以Consumer为参数。当我们只需要消耗现值时,这是一个替代isPresent()-get()对的方法。代码可以重写如下:

// Prefer
public void displayStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  status.ifPresent(System.out::println);
}

但在其他情况下,如果Optional不存在,那么我们希望执行一个基于空的操作。基于isPresent()get()对的解决方案如下:

// Avoid
public void displayStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  if (status.isPresent()) {
    System.out.println(status.get());
  } else {
    System.out.println("Status not found ...");
  }
}

再说一次,这不是最好的选择。或者,我们可以指望ifPresentOrElse()。这种方法从 JDK9 开始就有了,与ifPresent()方法类似,唯一的区别是它也涵盖了else分支:

// Prefer
public void displayStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  status.ifPresentOrElse(System.out::println,
    () -> System.out.println("Status not found ..."));
}

233 返回当前Optional类或其他类

让我们考虑一个返回Optional类的方法。主要地,这个方法计算一个Optional类,如果它不是空的,那么它只返回这个Optional类。否则,如果计算出的Optional类为空,那么我们执行一些其他操作,该操作也返回Optional类。

isPresent()-get()对可以按如下方式进行(应避免这样做):

private final static String BOOK_STATUS = "UNKNOWN";
...
// Avoid
public Optional findStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  if (status.isPresent()) {
    return status;
  } else {
    return Optional.of(BOOK_STATUS);
  }
}

或者,我们应该避免以下构造:

return Optional.of(status.orElse(BOOK_STATUS));
return Optional.of(status.orElseGet(() -> (BOOK_STATUS)));

从 JDK9 开始就有了最佳的解决方案,它由Optional.or()方法组成。此方法能够返回描述值的Optional。否则,返回给定的Supplier函数产生的Optional(产生要返回的Optional的供给函数):

private final static String BOOK_STATUS = "UNKNOWN";
...
// Prefer
public Optional findStatus() {
  Optional status = ...; // this is prone to be empty

  return status.or(() -> Optional.of(BOOK_STATUS));
}

234 通过orElseFoo()链接 Lambda

一些特定于 Lambda 表达式的操作返回Optional(例如,findFirst()findAny()reduce()等)。试图通过isPresent()-get()对来处理这些Optional类是一个麻烦的解决方案,因为我们必须打破 Lambda 链,通过if-else块添加一些条件代码,并考虑恢复该链。

以下代码片段显示了这种做法:

private static final String NOT_FOUND = "NOT FOUND";

List books...;
...
// Avoid
public String findFirstCheaperBook(int price) {

  Optional book = books.stream()
    .filter(b -> b.getPrice()

再往前一步,我们可能会得到如下结果:

// Avoid
public String findFirstCheaperBook(int price) {

  Optional book = books.stream()
    .filter(b -> b.getPrice()

orElse()代替isPresent()-get()对更为理想。但如果我们直接在 Lambda 链中使用orElse()(和orElseFoo(),避免代码中断,则效果会更好:

private static final String NOT_FOUND = "NOT FOUND";
...
// Prefer
public String findFirstCheaperBook(int price) {

  return books.stream()
    .filter(b -> b.getPrice()

我们再来一个问题。

这一次,我们有几本书的作者,我们要检查某一本书是否是作者写的。如果我们的作者没有写给定的书,那么我们想抛出NoSuchElementException

一个非常糟糕的解决方案如下:

// Avoid
public void validateAuthorOfBook(Book book) {
  if (!author.isPresent() ||
    !author.get().getBooks().contains(book)) {
    throw new NoSuchElementException();
  }
}

另一方面,使用orElseThrow()可以非常优雅地解决问题:

// Prefer
public void validateAuthorOfBook(Book book) {
  author.filter(a -> a.getBooks().contains(book))
    .orElseThrow();
}

235 不要仅为获取值而使用Optional

这个问题从不要使用类别的一系列问题开始。不要使用类别试图防止过度使用,并给出了一些可以避免我们很多麻烦的规则。然而,规则也有例外。因此,不要认为应不惜一切代价避免所提出的规则。一如既往,这取决于问题。

Optional的情况下,一个常见的场景是为了获得一些值而链接其方法。

避免这种做法,并依赖简单和简单的代码。换句话说,避免做类似以下代码片段的操作:

public static final String BOOK_STATUS = "UNKNOWN";
...
// Avoid
public String findStatus() {
  // fetch a status prone to be null
  String status = ...;

  return Optional.ofNullable(status).orElse(BOOK_STATUS);
}

并使用简单的if-else块或三元运算符(对于简单情况):

// Prefer
public String findStatus() {
  // fetch a status prone to be null
  String status = null;

  return status == null ? BOOK_STATUS : status;
}

236 不要为字段使用Optional

不要使用类别继续下面的语句-Optional不打算用于字段,它不实现Serializable

Optional类肯定不打算用作 JavaBean 的字段。所以,不要这样做:

// Avoid
public class Book {

  [access_modifier][static][final]
    Optional title;
  [access_modifier][static][final]
    Optional subtitle = Optional.empty();
  ...
}

但要做到:

// Prefer
public class Book {

  [access_modifier][static][final] String title;
  [access_modifier][static][final] String subtitle = "";
  ...
}

237 不要在构造器参数中使用Optional

不要使用类别继续使用另一种与使用Optional的意图相反的场景。请记住,Optional表示对象的容器;因此,Optional添加了另一个抽象级别。换句话说,Optional的不当使用只是增加了额外的样板代码。

检查Optional的以下用例,可以看出这一点(此代码违反了前面的“不要对字段使用Optional”一节):

// Avoid
public class Book {

  // cannot be null
  private final String title; 

  // optional field, cannot be null
  private final Optional isbn;

  public Book(String title, Optional isbn) {
    this.title = Objects.requireNonNull(title,
      () -> "Title cannot be null");

    if (isbn == null) {
      this.isbn = Optional.empty();
    } else {
      this.isbn = isbn;
    }

    // or
    this.isbn = Objects.requireNonNullElse(isbn, Optional.empty());
  }

  public String getTitle() {
    return title;
  }

  public Optional getIsbn() {
    return isbn;
  }
}

我们可以通过从字段和构造器参数中删除Optional来修复此代码,如下所示:

// Prefer
public class Book {

  private final String title; // cannot be null
  private final String isbn; // can be null

  public Book(String title, String isbn) {
    this.title = Objects.requireNonNull(title,
      () -> "Title cannot be null");
    this.isbn = isbn;
  }

  public String getTitle() {
    return title;
  }

  public Optional getIsbn() {
    return Optional.ofNullable(isbn);
  }
}

isbn的获取器返回Optional。但是不要将此示例视为以这种方式转换所有获取器的规则。有些获取器返回集合或数组,在这种情况下,他们更喜欢返回空的集合/数组,而不是返回Optional。使用此技术并记住 BrianGoetz(Java 语言架构师)的声明:

“我认为它肯定会被常规地过度用作获取器的返回值。” ——布赖恩·格茨(Brian Goetz)

238 不要在设置器参数中使用Optional

不要使用类别继续使用一个非常诱人的场景,包括在设置器参数中使用Optional。应避免使用以下代码,因为它添加了额外的样板代码,并且违反了“请勿将Optional用于字段”部分(请检查setIsbn()方法):

// Avoid
public class Book {

  private Optional isbn;

  public Optional getIsbn() {
    return isbn;
  }

  public void setIsbn(Optional isbn) {
    if (isbn == null) {
      this.isbn = Optional.empty();
    } else {
      this.isbn = isbn;
    }

    // or
    this.isbn = Objects.requireNonNullElse(isbn, Optional.empty());
  }
}

我们可以通过从字段和设置器的参数中删除Optional来修复此代码,如下所示:

// Prefer
public class Book {

  private String isbn;

  public Optional getIsbn() {
    return Optional.ofNullable(isbn);
  }

  public void setIsbn(String isbn) {
    this.isbn = isbn;
  }
}

通常,这种糟糕的做法在 JPA 实体中用于持久属性(将实体属性映射为Optional)。然而,在域模型实体中使用Optional是可能的。

239 不要在方法参数中使用Optional

不要使用类别继续使用Optional的另一个常见错误。这次让我们讨论一下方法参数中Optional的用法。

在方法参数中使用Optional只是另一个用例,可能会导致代码变得不必要的复杂。主要是建议承担null检查参数的责任,而不是相信调用方会创建Optional类,尤其是空Optional类。这种糟糕的做法会使代码变得混乱,而且仍然容易出现NullPointerException。调用者仍可通过null。所以你刚才又开始检查null参数了。

请记住,Optional只是另一个物体(容器),并不便宜。Optional消耗裸引用内存的四倍!

作为结论,在执行以下操作之前,请三思而后行:

// Avoid
public void renderBook(Format format,
  Optional renderer, Optional size) {

  Objects.requireNonNull(format, "Format cannot be null");

  Renderer bookRenderer = renderer.orElseThrow(
    () -> new IllegalArgumentException("Renderer cannot be empty")
  );

  String bookSize = size.orElseGet(() -> "125 x 200");
  ...
}

检查创建所需Optional类的此方法的以下调用。但是,很明显,通过null也是可能的,会导致NullPointerException,但这意味着你故意挫败了Optional——不要想通过null参数的检查来污染前面的代码,这真是个坏主意:

Book book = new Book();

// Avoid
book.renderBook(new Format(),
  Optional.of(new CoolRenderer()), Optional.empty());

// Avoid
// lead to NPE
book.renderBook(new Format(),
  Optional.of(new CoolRenderer()), null);

我们可以通过删除Optional类来修复此代码,如下所示:

// Prefer
public void renderBook(Format format, 
    Renderer renderer, String size) {

  Objects.requireNonNull(format, "Format cannot be null");
  Objects.requireNonNull(renderer, "Renderer cannot be null");

  String bookSize = Objects.requireNonNullElseGet(
    size, () -> "125 x 200");
  ...
}

这次,这个方法的调用不强制创建Optional

Book book = new Book();

// Prefer
book.renderBook(new Format(), new CoolRenderer(), null);

当一个方法可以接受可选参数时,依赖于旧式方法重载,而不是依赖于Optional

240 不要使用Optional返回空的或null集合或数组

此外,在不要使用类别中,让我们来讨论如何使用Optional作为包装空集合或null集合或数组的返回类型。

返回包装空集合/数组的Optionalnull集合/数组可能由干净的轻量级代码组成。查看以下代码:

// Avoid
public Optional> fetchBooksByYear(int year) {
  // fetching the books may return null
  List books = ...;

  return Optional.ofNullable(books);
}

Optional> books = author.fetchBooksByYear(2021);

// Avoid
public Optional fetchBooksByYear(int year) {
  // fetching the books may return null
  Book[] books = ...;

  return Optional.ofNullable(books);
}

Optional books = author.fetchBooksByYear(2021);

我们可以通过删除不必要的Optional来清除此代码,然后依赖空集合(例如,Collections.emptyList()emptyMap()emptySet())和数组(例如,new String[0])。这是更好的解决方案:

// Prefer
public List fetchBooksByYear(int year) {
  // fetching the books may return null
  List books = ...;

  return books == null ? Collections.emptyList() : books;
}

List books = author.fetchBooksByYear(2021);

// Prefer
public Book[] fetchBooksByYear(int year) {
  // fetching the books may return null
  Book[] books = ...;

  return books == null ? new Book[0] : books;
}

Book[] books = author.fetchBooksByYear(2021);

如果需要区分缺少的集合/数组和空集合/数组,则为缺少的集合/数组抛出异常。

241 避免集合中的Optional

依靠集合中的Optional可能是一种设计的味道。再花 30 分钟重新评估问题并找到更好的解决方案。

前面的语句尤其在Map的情况下是有效的,当这个决定背后的原因听起来像这样时,Map返回null如果一个键没有映射或者null映射到了这个键,那么我无法判断这个键是不存在还是缺少值。我将通过Optional.ofNullable()包装数值并完成!

但是,如果OptionalMap填充了null值,缺少Optional值,甚至Optional对象包含了其他内容,而不是Foo,我们将进一步决定什么呢?我们不是把最初的问题嵌套到另一层吗?表演罚怎么样?Optional不是免费的;它只是另一个消耗内存的对象,需要收集。

所以,让我们考虑一个应该避免的解决方案:

private static final String NOT_FOUND = "NOT FOUND";
...
// Avoid
Map> isbns = new HashMap<>();
isbns.put("Book1", Optional.ofNullable(null));
isbns.put("Book2", Optional.ofNullable("123-456-789"));
...
Optional isbn = isbns.get("Book1");

if (isbn == null) {
  System.out.println("This key cannot be found");
} else {
  String unwrappedIsbn = isbn.orElse(NOT_FOUND);
  System.out.println("Key found, Value: " + unwrappedIsbn);
}

更好更优雅的解决方案可以依赖于 JDK8,getOrDefault()如下:

private static String get(Map map, String key) {
  return map.getOrDefault(key, NOT_FOUND);
}

Map isbns = new HashMap<>();
isbns.put("Book1", null);
isbns.put("Book2", "123-456-789");
...
String isbn1 = get(isbns, "Book1"); // null
String isbn2 = get(isbns, "Book2"); // 123-456-789
String isbn3 = get(isbns, "Book3"); // NOT FOUND

其他解决方案可依赖于以下内容:

  • containsKey()方法
  • 通过扩展HashMap来实现琐碎的实现
  • JDK8computeIfAbsent()方法
  • ApacheCommon DefaultedMap

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