正确处理null指针
最后更新于：2022-04-01 05:22:31
穷举的思想是如此的有用，依据这个原理，我们可以推出一些基本原则，它们可以让你无懈可击的处理null指针。
首先你应该知道，许多语言（C，C++，Java，C#，……）的类型系统对于null的处理，其实是完全错误的。这个错误源自于[Tony Hoare](https://en.wikipedia.org/wiki/Tony_Hoare)最早的设计，Hoare把这个错误称为自己的“[billion dollar mistake](http://www.infoq.com/presentations/Null-References-The-Billion-Dollar-Mistake-Tony-Hoare)”，因为由于它所产生的财产和人力损失，远远超过十亿美元。
这些语言的类型系统允许null出现在任何对象（指针）类型可以出现的地方，然而null其实根本不是一个合法的对象。它不是一个String，不是一个Integer，也不是一个自定义的类。null的类型本来应该是NULL，也就是null自己。根据这个基本观点，我们推导出以下原则：
* 尽量不要产生null指针。尽量不要用null来初始化变量，函数尽量不要返回null。如果你的函数要返回“没有”，“出错了”之类的结果，尽量使用Java的异常机制。虽然写法上有点别扭，然而Java的异常，和函数的返回值合并在一起，基本上可以当成union类型来用。比如，如果你有一个函数find，可以帮你找到一个String，也有可能什么也找不到，你可以这样写：
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public String find() throws NotFoundException {
if (...) {
return ...;
} else {
throw new NotFoundException();
}
}
~~~
Java的类型系统会强制你catch这个NotFoundException，所以你不可能像漏掉检查null一样，漏掉这种情况。Java的异常也是一个比较容易滥用的东西，不过我已经在上一节告诉你如何正确的使用异常。
Java的try...catch语法相当的繁琐和蹩脚，所以如果你足够小心的话，像`find`这类函数，也可以返回null来表示“没找到”。这样稍微好看一些，因为你调用的时候不必用try...catch。很多人写的函数，返回null来表示“出错了”，这其实是对null的误用。“出错了”和“没有”，其实完全是两码事。“没有”是一种很常见，正常的情况，比如查哈希表没找到，很正常。“出错了”则表示罕见的情况，本来正常情况下都应该存在有意义的值，偶然出了问题。如果你的函数要表示“出错了”，应该使用异常，而不是null。
* 不要把null放进“容器数据结构”里面。所谓容器（collection），是指一些对象以某种方式集合在一起，所以null不应该被放进Array，List，Set等结构，不应该出现在Map的key或者value里面。把null放进容器里面，是一些莫名其妙错误的来源。因为对象在容器里的位置一般是动态决定的，所以一旦null从某个入口跑进去了，你就很难再搞明白它去了哪里，你就得被迫在所有从这个容器里取值的位置检查null。你也很难知道到底是谁把它放进去的，代码多了就导致调试极其困难。
解决方案是：如果你真要表示“没有”，那你就干脆不要把它放进去（Array，List，Set没有元素，Map根本没那个entry），或者你可以指定一个特殊的，真正合法的对象，用来表示“没有”。
需要指出的是，类对象并不属于容器。所以null在必要的时候，可以作为对象成员的值，表示它不存在。比如：
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class A {
String name = null;
...
}
~~~
之所以可以这样，是因为null只可能在A对象的name成员里出现，你不用怀疑其它的成员因此成为null。所以你每次访问name成员时，检查它是否是null就可以了，不需要对其他成员也做同样的检查。
* 函数调用者：明确理解null所表示的意义，尽早检查和处理null返回值，减少它的传播。null很讨厌的一个地方，在于它在不同的地方可能表示不同的意义。有时候它表示“没有”，“没找到”。有时候它表示“出错了”，“失败了”。有时候它甚至可以表示“成功了”，…… 这其中有很多误用之处，不过无论如何，你必须理解每一个null的意义，不能给混淆起来。
如果你调用的函数有可能返回null，那么你应该在第一时间对null做出“有意义”的处理。比如，上述的函数`find`，返回null表示“没找到”，那么调用`find`的代码就应该在它返回的第一时间，检查返回值是否是null，并且对“没找到”这种情况，作出有意义的处理。
“有意义”是什么意思呢？我的意思是，使用这函数的人，应该明确的知道在拿到null的情况下该怎么做，承担起责任来。他不应该只是“向上级汇报”，把责任踢给自己的调用者。如果你违反了这一点，就有可能采用一种不负责任，危险的写法：
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public String foo() {
String found = find();
if (found == null) {
return null;
}
}
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当看到find()返回了null，foo自己也返回null。这样null就从一个地方，游走到了另一个地方，而且它表示另外一个意思。如果你不假思索就写出这样的代码，最后的结果就是代码里面随时随地都可能出现null。到后来为了保护自己，你的每个函数都会写成这样：
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public void foo(A a, B b, C c) {
if (a == null) { ... }
if (b == null) { ... }
if (c == null) { ... }
...
}
~~~
* 函数作者：明确声明不接受null参数，当参数是null时立即崩溃。不要试图对null进行“容错”，不要让程序继续往下执行。如果调用者使用了null作为参数，那么调用者（而不是函数作者）应该对程序的崩溃负全责。上面的例子之所以成为问题，就在于人们对于null的“容忍态度”。
上面这种“保护式”的写法，试图“容错”，试图“优雅的处理null”，其结果是让调用者更加肆无忌惮的传递null给你的函数。到后来，你的代码里出现一堆堆nonsense的情况，null可以在任何地方出现，都不知道到底是哪里产生出来的。谁也不知道出现了null是什么意思，该做什么，所有人都把null踢给其他人。最后这null像瘟疫一样蔓延开来，到处都是，成为一场噩梦。
正确的做法，其实是强硬的态度。你要告诉函数的使用者，我的参数全都不能是null，如果你给我null，程序崩溃了该你自己负责。至于调用者代码里有null怎么办，他自己该知道怎么处理（参考以上几条），不应该由函数作者来操心。
* 使用@NotNull和@Nullable标记。IntelliJ提供了@NotNull和@Nullable两种标记，加在类型前面，这样可以比较可靠地防止null指针的出现。IntelliJ本身会对含有这种标记的代码进行静态分析，指出运行时可能出现`NullPointerException`的地方。在运行时，会在null指针不该出现的地方产生`IllegalArgumentException`，即使那个null指针你从来没有deference。这样你可以在尽量早期发现并且防止null指针的出现。
* 使用Optional类型。Java 8和Swift之类的语言，提供了一种叫Optional的类型。正确的使用这种类型，可以在很大程度上避免null的问题。null指针的问题之所以存在，是因为你可以在没有“检查”null的情况下，“访问”对象的成员。
Optional类型的设计原理，就是把“检查”和“访问”这两个操作合二为一，成为一个“原子操作”。这样你没法只访问，而不进行检查。这种做法其实是ML，Haskell等语言里的模式匹配（pattern matching）的一个特例。模式匹配使得类型判断和访问成员这两种操作合二为一，所以你没法犯错。
比如，在Swift里面，你可以这样写：
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let found = find()
if let content = found {
print("found: " + content)
}
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你从`find()`函数得到一个Optional类型的值`found`。假设它的类型是`String?`，那个问号表示它可能包含一个String，也可能是nil。然后你就可以用一种特殊的if语句，同时进行null检查和访问其中的内容。这个if语句跟普通的if语句不一样，它的条件不是一个Bool，而是一个变量绑定`let content = found`。
我不是很喜欢这语法，不过这整个语句的含义是：如果found是nil，那么整个if语句被略过。如果它不是nil，那么变量content被绑定到found里面的值（unwrap操作），然后执行`print("found: " + content)`。由于这种写法把检查和访问合并在了一起，你没法只进行访问而不检查。
Java 8的做法比较蹩脚一些。如果你得到一个Optional类型的值found，你必须使用“函数式编程”的方式，来写这之后的代码：
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Optional<String> found = find();
found.ifPresent(content -> System.out.println("found: " + content));
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这段Java代码跟上面的Swift代码等价，它包含一个“判断”和一个“取值”操作。ifPresent先判断found是否有值（相当于判断是不是null）。如果有，那么将其内容“绑定”到lambda表达式的content参数（unwrap操作），然后执行lambda里面的内容，否则如果found没有内容，那么ifPresent里面的lambda不执行。
Java的这种设计有个问题。判断null之后分支里的内容，全都得写在lambda里面。在函数式编程里，这个lambda叫做“[continuation](https://en.wikipedia.org/wiki/Continuation)”，Java把它叫做 “[Consumer](https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/function/Consumer.html)”，它表示“如果found不是null，拿到它的值，然后应该做什么”。由于lambda是个函数，你不能在里面写`return`语句返回出外层的函数。比如，如果你要改写下面这个函数（含有null）：
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public static String foo() {
String found = find();
if (found != null) {
return found;
} else {
return "";
}
}
~~~
就会比较麻烦。因为如果你写成这样：
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public static String foo() {
Optional<String> found = find();
found.ifPresent(content -> {
return content; // can't return from foo here
});
return "";
}
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里面的`return a`，并不能从函数`foo`返回出去。它只会从lambda返回，而且由于那个lambda（[Consumer.accept](https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/function/Consumer.html#accept-T-)）的返回类型必须是`void`，编译器会报错，说你返回了String。由于Java里closure的自由变量是只读的，你没法对lambda外面的变量进行赋值，所以你也不能采用这种写法：
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public static String foo() {
Optional<String> found = find();
String result = "";
found.ifPresent(content -> {
result = content; // can't assign to result
});
return result;
}
~~~
所以，虽然你在lambda里面得到了found的内容，如何使用这个值，如何返回一个值，却让人摸不着头脑。你平时的那些Java编程手法，在这里几乎完全废掉了。实际上，判断null之后，你必须使用Java 8提供的一系列古怪的[函数式编程操作](http://www.oracle.com/technetwork/articles/java/java8-optional-2175753.html)：`map`,`flatMap`, `orElse`之类，想法把它们组合起来，才能表达出原来代码的意思。比如之前的代码，只能改写成这样：
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public static String foo() {
Optional<String> found = find();
return found.orElse("");
}
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这简单的情况还好。复杂一点的代码，我还真不知道怎么表达，我怀疑Java 8的Optional类型的方法，到底有没有提供足够的表达力。那里面少数几个东西表达能力不咋的，论工作原理，却可以扯到functor，continuation，甚至monad等高深的理论…… 仿佛用了Optional之后，这语言就不再是Java了一样。
所以Java虽然提供了Optional，但我觉得可用性其实比较低，难以被人接受。相比之下，Swift的设计更加简单直观，接近普通的过程式编程。你只需要记住一个特殊的语法`if let content = found {...}`，里面的代码写法，跟普通的过程式语言没有任何差别。
总之你只要记住，使用Optional类型，要点在于“原子操作”，使得null检查与取值合二为一。这要求你必须使用我刚才介绍的特殊写法。如果你违反了这一原则，把检查和取值分成两步做，还是有可能犯错误。比如在Java 8里面，你可以使用`found.get()`这样的方式直接访问found里面的内容。在Swift里你也可以使用`found!`来直接访问而不进行检查。
你可以写这样的Java代码来使用Optional类型：
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Option<String> found = find();
if (found.isPresent()) {
System.out.println("found: " + found.get());
}
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如果你使用这种方式，把检查和取值分成两步做，就可能会出现运行时错误。`if (found.isPresent())`本质上跟普通的null检查，其实没什么两样。如果你忘记判断`found.isPresent()`，直接进行`found.get()`，就会出现`NoSuchElementException`。这跟`NullPointerException`本质上是一回事。所以这种写法，比起普通的null的用法，其实换汤不换药。如果你要用Optional类型而得到它的益处，请务必遵循我之前介绍的“原子操作”写法。