Uninote
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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。

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。

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。

你看到了,现在 null 值的含义本身出现了两个意思:

  1. 参数不存在
  2. 参数没有值

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

于是,@NonNull 这个注解横空出世了。

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。

我们先看一段代码:

上面的代码没有加入 @NonNull,可以看到 IDE 并没有给出什么警告。

让我们加上 @NonNull 注解看看:

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。

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。

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!

3. findbugs 出场了

我们先在 maven 中配置好 findbugs:

<?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 

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。

我们再打开 findbugs 的界面看看具体的报错位置:

你瞧,findbugs 准确的找到了可能出现 NPE 的根源。

通过以上这些手段,我们尽可能的将 NPE 提前到编译期发现。

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。

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。

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。

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。

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。

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());
    }
}

运行结果如下:

————undefinedNAME-----

Process finished with exit code 0

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。

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。

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。

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。

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。

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。

README

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