10.1 如何为缺失的值建模
假设你需要处理下面这样的嵌套对象，这是一个拥有汽车及汽车保险的客户。
代码清单10-1 Person/Car/Insurance的数据模型
public class Person {
private Car car;
public Car getCar() { return car; }
}
public class Car {
private Insurance insurance;
public Insurance getInsurance() { return insurance; }
}
public class Insurance {
private String name;
public String getName() { return name; }
}
那么，下面这段代码存在怎样的问题呢？
public String getCarInsuranceName(Person person) {
return person.getCar().getInsurance().getName();
}
这段代码看起来相当正常，但是现实生活中很多人没有车。所以调用getCar方法的结果会怎样呢？在实践中，一种比较常见的做法是返回一个null引用，表示该值的缺失，即用户没有车。而接下来，对getInsurance的调用会返回null引用的insurance，这会导致运行时出现一个NullPointerException，终止程序的运行。但这还不是全部。如果返回的person值为null会怎样？如果getInsurance的返回值也是null，结果又会怎样？
10.1.1 采用防御式检查减少NullPointerException
怎样做才能避免这种不期而至的NullPointerException呢？通常，你可以在需要的地方添加null的检查（过于激进的防御式检查甚至会在不太需要的地方添加检测代码），并且添加的方式往往各有不同。下面这个例子是我们试图在方法中避免NullPointerException的第一次尝试。
代码清单10-2 null-安全的第一种尝试：深层质疑
这个方法每次引用一个变量都会做一次null检查，如果引用链上的任何一个遍历的解变量值为null，它就返回一个值为“Unknown”的字符串。唯一的例外是保险公司的名字，你不需要对它进行检查，原因很简单，因为任何一家公司必定有个名字。注意到了吗，由于你掌握业务领域的知识，避免了最后这个检查，但这并不会直接反映在你建模数据的Java类之中。
我们将代码清单10-2标记为“深层质疑”，原因是它不断重复着一种模式：每次你不确定一个变量是否为null时，都需要添加一个进一步嵌套的if块，也增加了代码缩进的层数。很明显，这种方式不具备扩展性，同时还牺牲了代码的可读性。面对这种窘境，你也许愿意尝试另一种方案。下面的代码清单中，我们试图通过一种不同的方式避免这种问题。
代码清单10-3 null-安全的第二种尝试：过多的退出语句
第二种尝试中，你试图避免深层递归的if语句块，采用了一种不同的策略：每次你遭遇null变量，都返回一个字符串常量“Unknown”。然而，这种方案远非理想，现在这个方法有了四个截然不同的退出点，使得代码的维护异常艰难。更糟的是，发生null时返回的默认值，即字符串“Unknown”在三个不同的地方重复出现——出现拼写错误的概率不小！当然，你可能会说，我们可以用把它们抽取到一个常量中的方式避免这种问题。
进一步而言，这种流程是极易出错的；如果你忘记检查了那个可能为null的属性会怎样？通过这一章的学习，你会了解使用null来表示变量值的缺失是大错特错的。你需要更优雅的方式来对缺失的变量值建模。
10.1.2 null带来的种种问题
让我们一起回顾一下到目前为止进行的讨论，在Java程序开发中使用null会带来理论和实际操作上的种种问题。
它是错误之源。
NullPointerException是目前Java程序开发中最典型的异常。
它会使你的代码膨胀。
它让你的代码充斥着深度嵌套的null检查，代码的可读性糟糕透顶。
它自身是毫无意义的。
null自身没有任何的语义，尤其是，它代表的是在静态类型语言中以一种错误的方式对缺失变量值的建模。
它破坏了Java的哲学。
Java一直试图避免让程序员意识到指针的存在，唯一的例外是：null指针。
它在Java的类型系统上开了个口子。
null并不属于任何类型，这意味着它可以被赋值给任意引用类型的变量。这会导致问题，原因是当这个变量被传递到系统中的另一个部分后，你将无法获知这个null变量最初的赋值到底是什么类型。
为了解业界针对这个问题给出的解决方案，我们一起简单看看其他语言提供了哪些功能。
10.2 Optional类入门
汲取Haskell和Scala的灵感，Java 8中引入了一个新的类java.util.Optional
图 10-1 使用Optional定义的Car类
变量存在时，Optional类只是对类简单封装。变量不存在时，缺失的值会被建模成一个“空”的Optional对象，由方法Optional.empty()返回。Optional.empty()方法是一个静态工厂方法，它返回Optional类的特定单一实例。你可能还有疑惑，null引用和Optional.empty()有什么本质的区别吗？从语义上，你可以把它们当作一回事儿，但是实际中它们之间的差别非常大：如果你尝试解引用一个null，一定会触发NullPointerException，不过使用Optional.empty()就完全没事儿，它是Optional类的一个有效对象，多种场景都能调用，非常有用。关于这一点，接下来的部分会详细介绍。
使用Optional而不是null的一个非常重要而又实际的语义区别是，第一个例子中，我们在声明变量时使用的是Optional
牢记上面这些原则，你现在可以使用Optional类对代码清单10-1中最初的代码进行重构，结果如下。
代码清单10-4 使用Optional重新定义Person/Car/Insurance的数据模型
public class Person {
private Optional
public Optional
}
public class Car {
private Optional
public Optional
}
public class Insurance {
private String name; ←─保险公司必须有名字
public String getName() { return name; }
}
发现Optional是如何丰富你模型的语义了吧。代码中person引用的是Optional
与此同时，我们看到insurance公司的名称被声明成String类型，而不是Optional
在你的代码中始终如一地使用Optional，能非常清晰地界定出变量值的缺失是结构上的问题，还是你算法上的缺陷，抑或是你数据中的问题。另外，我们还想特别强调，引入Optional类的意图并非要消除每一个null引用。与此相反，它的目标是帮助你更好地设计出普适的API，让程序员看到方法签名，就能了解它是否接受一个Optional的值。这种强制会让你更积极地将变量从Optional中解包出来，直面缺失的变量值。
10.3.2 使用map从Optional对象中提取和转换值
从对象中提取信息是一种比较常见的模式。比如，你可能想要从insurance公司对象中提取公司的名称。提取名称之前，你需要检查insurance对象是否为null，代码如下所示：
String name = null;
if(insurance != null){
name = insurance.getName();
}
为了支持这种模式，Optional提供了一个map方法。它的工作方式如下（这里，我们继续借用了代码清单10-4的模式）：
Optional
Optional
从概念上，这与我们在第4章和第5章中看到的流的map方法相差无几。map操作会将提供的函数应用于流的每个元素。你可以把Optional对象看成一种特殊的集合数据，它至多包含一个元素。如果Optional包含一个值，那函数就将该值作为参数传递给map，对该值进行转换。如果Optional为空，就什么也不做。图10-2对这种相似性进行了说明，展示了把一个将正方形转换为三角形的函数，分别传递给正方形和Optional正方形流的map方法之后的结果。
图 10-2 Stream和Optional的map方法对比
这看起来挺有用，但是你怎样才能应用起来，重构之前的代码呢？前文的代码里用安全的方式链接了多个方法。
public String getCarInsuranceName(Person person) {
return person.getCar().getInsurance().getName();
}
为了达到这个目的，我们需要求助Optional提供的另一个方法flatMap。
10.3.3 使用flatMap链接Optional对象
由于我们刚刚学习了如何使用map，你的第一反应可能是我们可以利用map重写之前的代码，如下所示:
Optional
Optional
optPerson.map(Person::getCar)
.map(Car::getInsurance)
.map(Insurance::getName);
不幸的是，这段代码无法通过编译。为什么呢？optPerson是Optional
图 10-3 两层的optional对象
所以，我们该如何解决这个问题呢？让我们再回顾一下你刚刚在流上使用过的模式： flatMap方法。使用流时，flatMap方法接受一个函数作为参数，这个函数的返回值是另一个流。这个方法会应用到流中的每一个元素，最终形成一个新的流的流。但是flagMap会用流的内容替换每个新生成的流。换句话说，由方法生成的各个流会被合并或者扁平化为一个单一的流。这里你希望的结果其实也是类似的，但是你想要的是将两层的optional合并为一个。
跟图10-2类似，我们借助图10-4来说明flatMap方法在Stream和Optional类之间的相似性.
图 10-4 Stream和Optional的flagMap方法对比
这个例子中，传递给流的flatMap方法会将每个正方形转换为另一个流中的两个三角形。那么，map操作的结果就包含有三个新的流，每一个流包含两个三角形，但flatMap方法会将这种两层的流合并为一个包含六个三角形的单一流。类似地，传递给optional的flatMap方法的函数会将原始包含正方形的optional对象转换为包含三角形的optional对象。如果将该方法传递给map方法，结果会是一个Optional对象，而这个Optional对象中包含了三角形；但flatMap方法会将这种两层的Optional对象转换为包含三角形的单一Optional对象。
1. 使用Optional获取car的保险公司名称
相信现在你已经对Optional的map和flatMap方法有了一定的了解，让我们看看如何应用。代码清单10-2和代码清单10-3的示例用基于Optional的数据模式重写之后，如代码清单10-5所示。
代码清单10-5 使用Optional获取car的Insurance名称
public String getCarInsuranceName(Optional
return person.flatMap(Person::getCar)
.flatMap(Car::getInsurance)
.map(Insurance::getName)
.orElse(“Unknown”); ←─如果Optional的结果值为空，设置默认值
}
通过比较代码清单10-5和之前的两个代码清单，我们可以看到，处理潜在可能缺失的值时，使用Optional具有明显的优势。这一次，你可以用非常容易却又普适的方法实现之前你期望的效果——不再需要使用那么多的条件分支，也不会增加代码的复杂性。
从具体的代码实现来看，首先我们注意到你修改了代码清单10-2和代码清单10-3中的getCarInsuranceName方法的签名，因为我们很明确地知道存在这样的用例，即一个不存在的Person被传递给了方法，比如，Person是使用某个标识符从数据库中查询出来的，你想要对数据库中不存在指定标识符对应的用户数据的情况进行建模。你可以将方法的参数类型由Person改为Optional
我们再一次看到这种方式的优点，它通过类型系统让你的域模型中隐藏的知识显式地体现在你的代码中，换句话说，你永远都不应该忘记语言的首要功能就是沟通，即使对程序设计语言而言也没有什么不同。声明方法接受一个Optional参数，或者将结果作为Optional类型返回，让你的同事或者未来你方法的使用者，很清楚地知道它可以接受空值，或者它可能返回一个空值。
2. 使用Optional解引用串接的Person/Car/Insurance对象
由Optional
图 10-5 使用Optional解引用串接的Person/Car/Insurance
这里，我们从以Optional封装的Person入手，对其调用flatMap(Person::getCar)。如前所述，这种调用逻辑上可以划分为两步。第一步，某个Function作为参数，被传递给由Optional封装的Person对象，对其进行转换。这个场景中，Function的具体表现是一个方法引用，即对Person对象的getCar方法进行调用。由于该方法返回一个Optional
第二步与第一步大同小异，它会将Optional
截至目前为止，返回的Optional可能是两种情况：如果调用链上的任何一个方法返回一个空的Optional，那么结果就为空，否则返回的值就是你期望的保险公司的名称。那么，你如何读出这个值呢？毕竟你最后得到的这个对象还是个Optional
在域模型中使用Optional，以及为什么它们无法序列化
在代码清单10-4中，我们展示了如何在你的域模型中使用Optional，将允许缺失或者暂无定义的变量值用特殊的形式标记出来。然而，Optional类设计者的初衷并非如此，他们构思时怀揣的是另一个用例。这一点，Java语言的架构师Brian Goetz曾经非常明确地陈述过，Optional的设计初衷仅仅是要支持能返回Optional对象的语法。
由于Optional类设计时就没特别考虑将其作为类的字段使用，所以它也并未实现Serializable接口。由于这个原因，如果你的应用使用了某些要求序列化的库或者框架，在域模型中使用Optional，有可能引发应用程序故障。然而，我们相信，通过前面的介绍，你已经看到用Optional声明域模型中的某些类型是个不错的主意，尤其是你需要遍历有可能全部或部分为空，或者可能不存在的对象时。如果你一定要实现序列化的域模型，作为替代方案，我们建议你像下面这个例子那样，提供一个能访问声明为Optional、变量值可能缺失的接口，代码清单如下：
public class Person {
private Car car;
public Optional
return Optional.ofNullable(car);
}
}
10.3.4 默认行为及解引用Optional对象
我们决定采用orElse方法读取这个变量的值，使用这种方式你还可以定义一个默认值，遭遇空的Optional变量时，默认值会作为该方法的调用返回值。Optional类提供了多种方法读取Optional实例中的变量值。
get()是这些方法中最简单但又最不安全的方法。如果变量存在，它直接返回封装的变量值，否则就抛出一个NoSuchElementException异常。所以，除非你非常确定Optional变量一定包含值，否则使用这个方法是个相当糟糕的主意。此外，这种方式即便相对于嵌套式的null检查，也并未体现出多大的改进。
orElse(T other)是我们在代码清单10-5中使用的方法，正如之前提到的，它允许你在Optional对象不包含值时提供一个默认值。
orElseGet(Supplier<? extends T> other)是orElse方法的延迟调用版，Supplier方法只有在Optional对象不含值时才执行调用。如果创建默认值是件耗时费力的工作，你应该考虑采用这种方式（借此提升程序的性能），或者你需要非常确定某个方法仅在Optional为空时才进行调用，也可以考虑该方式（这种情况有严格的限制条件）。
orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier)和get方法非常类似，它们遭遇Optional对象为空时都会抛出一个异常，但是使用orElseThrow你可以定制希望抛出的异常类型。
ifPresent(Consumer<? super T>)让你能在变量值存在时执行一个作为参数传入的方法，否则就不进行任何操作。
Optional类和Stream接口的相似之处，远不止map和flatMap这两个方法。还有第三个方法filter，它的行为在两种类型之间也极其相似，我们会在10.3.6节做进一步的介绍。
10.3.5 两个Optional对象的组合
现在，我们假设你有这样一个方法，它接受一个Person和一个Car对象，并以此为条件对外部提供的服务进行查询，通过一些复杂的业务逻辑，试图找到满足该组合的最便宜的保险公司：
public Insurance findCheapestInsurance(Person person, Car car) {
// 不同的保险公司提供的查询服务
// 对比所有数据
return cheapestCompany;
}
我们还假设你想要该方法的一个null-安全的版本，它接受两个Optional对象作为参数，返回值是一个Optional
public Optional
Optional
if (person.isPresent() && car.isPresent()) {
return Optional.of(findCheapestInsurance(person.get(), car.get()));
} else {
return Optional.empty();
}
}
这个方法具有明显的优势，我们从它的签名就能非常清楚地知道无论是person还是car，它的值都有可能为空，出现这种情况时，方法的返回值也不会包含任何值。不幸的是，该方法的具体实现和你之前曾经实现的null检查太相似了：方法接受一个Person和一个Car对象作为参数，而二者都有可能为null。利用Optional类提供的特性，有没有更好或更地道的方式来实现这个方法呢? 花几分钟时间思考一下测验10.1，试试能不能找到更优雅的解决方案。
测验10.1：以不解包的方式组合两个Optional对象
结合本节中介绍的map和flatMap方法，用一行语句重新实现之前出现的nullSafeFindCheapestInsurance()方法。
答案：你可以像使用三元操作符那样，无需任何条件判断的结构，以一行语句实现该方法，代码如下。
public Optional
Optional
return person.flatMap(p -> car.map(c -> findCheapestInsurance(p, c)));
}
这段代码中，你对第一个Optional对象调用flatMap方法，如果它是个空值，传递给它的Lambda表达式不会执行，这次调用会直接返回一个空的Optional对象。反之，如果person对象存在，这次调用就会将其作为函数Function的输入，并按照与flatMap方法的约定返回一个Optional
Optional类和Stream接口的相似之处远不止map和flatMap这两个方法。还有第三个方法filter，它的行为在两种类型之间也极其相似，我们在接下来的一节会进行介绍。
10.3.6 使用filter剔除特定的值
你经常需要调用某个对象的方法，查看它的某些属性。比如，你可能需要检查保险公司的名称是否为“Cambridge-Insurance”。为了以一种安全的方式进行这些操作，你首先需要确定引用指向的Insurance对象是否为null，之后再调用它的getName方法，如下所示：
Insurance insurance = …;
if(insurance != null && “CambridgeInsurance”.equals(insurance.getName())){
System.out.println(“ok”);
}
使用Optional对象的filter方法，这段代码可以重构如下：
Optional
optInsurance.filter(insurance ->
“CambridgeInsurance”.equals(insurance.getName()))
.ifPresent(x -> System.out.println(“ok”));
filter方法接受一个谓词作为参数。如果Optional对象的值存在，并且它符合谓词的条件，filter方法就返回其值；否则它就返回一个空的Optional对象。如果你还记得我们可以将Optional看成最多包含一个元素的Stream对象，这个方法的行为就非常清晰了。如果Optional对象为空，它不做任何操作，反之，它就对Optional对象中包含的值施加谓词操作。如果该操作的结果为true，它不做任何改变，直接返回该Optional对象，否则就将该值过滤掉，将Optional的值置空。通过测验10.2，可以测试你对filter方法工作方式的理解。
测验10.2：对Optional对象进行过滤
假设在我们的Person/Car/Insurance 模型中，Person还提供了一个方法可以取得Person对象的年龄，请使用下面的签名改写代码清单10-5中的getCarInsuranceName方法：
public String getCarInsuranceName(Optional
找出年龄大于或者等于minAge参数的Person所对应的保险公司列表。
答案：你可以对Optional封装的Person对象进行filter操作，设置相应的条件谓词，即如果person的年龄大于minAge参数的设定值，就返回该值，并将谓词传递给filter方法，代码如下所示。
public String getCarInsuranceName(Optional
return person.filter(p -> p.getAge() >= minAge)
.flatMap(Person::getCar)
.flatMap(Car::getInsurance)
.map(Insurance::getName)
.orElse(“Unknown”);
}
10.4 使用Optional的实战示例
相信你已经了解，有效地使用Optional类意味着你需要对如何处理潜在缺失值进行全面的反思。这种反思不仅仅限于你曾经写过的代码，更重要的可能是，你如何与原生Java API实现共存共赢。
实际上，我们相信如果Optional类能够在这些API创建之初就存在的话，很多API的设计编写可能会大有不同。为了保持后向兼容性，我们很难对老的Java API进行改动，让它们也使用Optional，但这并不表示我们什么也做不了。你可以在自己的代码中添加一些工具方法，修复或者绕过这些问题，让你的代码能享受Optional带来的威力。我们会通过几个实际的例子讲解如何达到这样的目的。
10.4.1 用Optional封装可能为null的值
现存Java API几乎都是通过返回一个null的方式来表示需要值的缺失，或者由于某些原因计算无法得到该值。比如，如果Map中不含指定的键对应的值，它的get方法会返回一个null。但是，正如我们之前介绍的，大多数情况下，你可能希望这些方法能返回一个Optional对象。你无法修改这些方法的签名，但是你很容易用Optional对这些方法的返回值进行封装。我们接着用Map做例子，假设你有一个Map
Object value = map.get(“key”);
使用Optional封装map的返回值，你可以对这段代码进行优化。要达到这个目的有两种方式：你可以使用笨拙的if-then-else判断语句，毫无疑问这种方式会增加代码的复杂度；或者你可以采用我们前文介绍的Optional.ofNullable方法：
Optional
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