原文：http://www.oracle.com/technetwork/articles/java/java8-optional-2175753.html
有人说，当你处理过了空指针异常才真正成为一个Java开发者。抛开玩笑话不谈，空指针确实是很多bug的根源。Java SE 8引入了一个新的叫做java.util.Optional 的类来缓解这个问题。
我们首先看看空指针有什么危险，Computer是一个嵌套的对象，如图：
下面的代码有什么潜在的问题呢？
String version = computer.getSoundcard().getUSB().getVersion();
这段代码貌似可行，但是，很多电脑（比如 Raspberry Pi）并没有Soundcard，因此getSoundcard会返回什么？
一个常见的（不好的）实现是返回一个null表示没有声卡。但是，这样会导致对null对象调用了getUSB方法，毫无疑问，结果自然是在运行时给你抛出一个NullPointException，然后终止程序的执行。
I call it my billion-dollar mistake. It was the invention of the null reference in 1965. I couldn't resist the temptation to put in a null reference, simply because it was so easy to implement.
—Tony Hoare
如何避免上面的空指针异常呢？一般的做法就是在调用方法之前进行检测：
String version = "UNKNOWN";
if(computer != null){
Soundcard soundcard = computer.getSoundcard();
if(soundcard != null){
USB usb = soundcard.getUSB();
if(usb != null){
version = usb.getVersion();
}
}
}
但是，上面嵌套if检测的代码确实不怎么好看。但是没办法，我们需要很多这样死板的没什么意义的代码来避免碰到NullPointException。更恼火的是，这部分代码成了我们业务逻辑的一部分，还降低了代码的可读性。
万一我们忘记对某个可能为null的对象进行非空检测怎么办？使用null来说明某个值缺失是一种错误的方式, 下文将说明这个问题并给出更好的解决办法。
先看看别的编程语言是如何处理这个问题的。
Null的替代物
Grovvy语言有一个?.的操作符，可以安全地处理潜在可能的空引用（C#即将包含这个特性，Java7曾被建议引入这个但是并没有发布。）它是这么用的：
String version = computer?.getSoundcard()?.getUSB()?.getVersion();
如果getSoundcard(),getUSB(),getVersion任意一个返回null，变量version就被赋值为null，不需要额外的复杂的嵌套检测。更好的是，Grovvy还有一个Elvis操作符:?:，可以给类似上面的表达式提供默认值。下面的表达式如果?. 返回了null那么变量version会被赋值为"UNKNOW":
String version = computer?.getSoundcard()?.getUSB()?.getVersion() ?: "UNKNOWN";
其他的一些函数式编程语言，比如Haskell, Scala，使用了一种别的方式。Haskell有一个Maybe型态，这个型态代表了一种有可选值的类型。Maybe形态的值可能包含一个给定类型的值或者是Nothing(译者注：代表没有值)，完全没有空指针的概念。Scala有一种类似的叫做Option[T]的东西来代表类型T的某一个值存在或者没有。因此，你必须显式检测这个值是否存在，如果不存在就不能使用任何Option类型的操作符；这样由于Scala的类型系统，你永远也不会忘记对于空指针的检测。
貌似有点扯远了，那么，Java8给我们提供了什么呢？
果壳里的Optional
受到Haskell和Scala的启发，Java8引入了一个叫做java.util.Optional<T>的类，这一个包含一个可选值的类型，你可以把它当作包含单个值的容器——这个容器要么包含一个值要么什么都没有，如下图：
我们在数据模型里面引入
Optional：
public class Computer {
private Optional<Soundcard> soundcard;
public Optional<Soundcard> getSoundcard() { ... }
...
}
public class Soundcard {
private Optional<USB> usb;
public Optional<USB> getUSB() { ... }
}
public class USB{
public String getVersion(){ ... }
}
用上面的代码，我们一眼就可以看出来一个computer有没有soundcard（他们是optioal，可选的），更进一步，一个声卡也有一个可选的USB端口；新的模型能清晰地反映出一个给定的值是有可能不存在的。这种做法在某些库里面也存在，比如Guava(译：Java5之后就可以使用，不过有局限)
我们能用Optional对象干什么？Optional对象包含了一些方法来显式地处理某个值是存在还是缺失，Optional类强制你思考值不存在的情况，这样就能避免潜在的空指针异常。
值得一提的是，设计Optional类的目的并不是完全取代null, 它的目的是设计更易理解的API。通过Optional，可以从方法签名就知道这个函数有可能返回一个缺失的值，这样强制你处理这些缺失值的情况。
Optional的正确打开方式
废话扯了这么多，来点实际的例子吧！首先来看看如何使用Optional类来实现传统的空指针检测：
String name = computer.flatMap(Computer::getSoundcard)
.flatMap(Soundcard::getUSB)
.map(USB::getVersion)
.orElse("UNKNOWN");
如果无法理解这段代码，可以复习Java8的lambda和方法引用,见Java8 Lambdas 以及stream pipelining概念,见Processing Data with Java SE 8 Steams
创建Optional对象
如何创建Optional对象呢，有下面几种方式：
- 空的Optional
Optional<Soundcard> sc = Optional.empty();
- 包含非空值的Optional
SoundCard soundcard = new Soundcard();
Optional<Soundcard> sc = Optional.of(soundcard);
一旦soundcard是null，这段代码会立即抛出一个NullPointException（而不是等你以后你访问这个空的soundcard对象的时候)
- 可能为空的Optional
Optional<Soundcard> sc = Optional.ofNullable(soundcard);
如果soundcard是null那么这个Optional将会是empty.
值存在的时候进行进一步的操作
现在你有了一个Optional对象，你可以显式地处理值存在或者不存在的情况，再也不用想这样如履薄冰地进行空指针检测了：
SoundCard soundcard = ...;
if(soundcard != null){
System.out.println(soundcard);
}
现在，可以使用ifPresent()方法，如下：
Optional<Soundcard> soundcard = ...;
soundcard.ifPresent(System.out::println);
现在，你再也不用显示地进行非空检测了，类型系统帮你干了这件事。如果Optional是empty,上面的代码就不会执行打印了。
你也可以使用isPresent()方法检查某个值是否存在，另外，get 方法可以返回Optional容器里面包含的那个对象，如果没有这个对象，get方法会立即抛出一个NoSuchElementException，这两个方法可以结合起来：
if(soundcard.isPresent()){
System.out.println(soundcard.get());
}
但是，并不提倡这样使用Optional。（这么做跟null检测有什么区别？），下面有一些惯用手法，我们来看一下。
默认值和默认操作
在某个操作返回空的时候给出一个默认值也是一个典型的场景，通畅的做法是使用三目运算符(?):
Soundcard soundcard = maybeSoundcard != null ?
maybeSoundcard : new Soundcard("basic_sound_card");
可以使用Optional对象的ifElse方法改进这个代码：
Soundcard soundcard = maybeSoundcard.orElse(new Soundcard("defaut"));
如果你想在空值的时候抛出一个异常，可以使用ifElseThrow方法：
Soundcard soundcard =
maybeSoundCard.orElseThrow(IllegalStateException::new);
使用filter过滤特定值
很多时候你需要调用某个对象的方法并且检查它的一些属性。例如：你可能需要检测一个USB的端口是否是一个特定的版本；如果需要避免空指针异常，通畅的方式是检测非空然后调用getVersion方法，如下：
USB usb = ...;
if(usb != null && "3.0".equals(usb.getVersion())){
System.out.println("ok");
}
使用Optional的filter可以这么干：
Optional<USB> maybeUSB = ...;
maybeUSB.filter(usb -> "3.0".equals(usb.getVersion())
.ifPresent(() -> System.out.println("ok"));
filter方法带有一个Predicate的参数，如果Optional容器里面的对象存在并且满足这个predicate,那么filter返回那个对象，否则就返回empty的Optional。（跟Stream接口的filter类似）
使用map转换值
另外一个比较常见的场景是需要从某个对象里面提取出特定的值。例如：从一个Soundcard对象里面取出一个USB对象然后检测这个usb对象是否是正确的版本。通常可以这么写：
if(soundcard != null){
USB usb = soundcard.getUSB();
if(usb != null && "3.0".equals(usb.getVersion()){
System.out.println("ok");
}
}
使用Optional的map方法，如下：
Optional<USB> usb = maybeSoundcard.map(Soundcard::getUSB);
Optional容器里面的值被某个函数（这里是USB的方法引用）作为参数“转换”了，如果Optional是empty那么就什么也不会发生。
结合使用map和filter可以检测某个声卡是否有USB 3.0的接口：
maybeSoundcard.map(Soundcard::getUSB)
.filter(usb -> "3.0".equals(usb.getVersion())
.ifPresent(() -> System.out.println("ok"));
现在我们的代码看起来比较像是在描述问题了！而且没有任何非空检测，太酷了！
使用flatMap级联Optional
我们已经有一些常见的模式可以通过Optional重构了，那么我们如何用一种安全的方式重构下面的代码呢？
String version = computer.getSoundcard().getUSB().getVersion();
上面的代码都是从一个对象里面取出另外一个对象， 这不正是上文介绍的map吗？我们改写Computer模型对象，让它拥有一个Optional<Soundcard>和一个Optional<USB>，然后就可以把代码改成这样：
String version = computer.map(Computer::getSoundcard)
.map(Soundcard::getUSB)
.map(USB::getVersion)
.orElse("UNKNOWN");
但是，这段代码并不能通过编译。为什么？
computer变量类型是Optional<Computer>，因此它调用map方法没有任何问题；但是，getSoundcard()方法的返回类型是Optional<Soundcard>这意味着map操作结果的类型是Optional<Optional<Soundcard>>,因此getUsb这个调用是非法的：外面的那个Optional包含的值是另外一个Optional，自然就没有getUsb方法，下图是这个调用的结构：
如何解决这个问题呢？Optional类提供了一个
flapMap的方法。这个方法可以对一个Optional使用一个函数转换为一个Optional然后把结果（两个Optional)flatten为一个单个Optional，下图给出了map和flatMap的区别：
用
flatMap重写我们的代码：
String version = computer.flatMap(Computer::getSoundcard)
.flatMap(Soundcard::getUSB)
.map(USB::getVersion)
.orElse("UNKNOWN");
第一个flatMap确保返回一个Optioan<Soundcard>而不是Optional<<Optional<Soundcard>>，第二个flatMap确保返回一个Optional<USB>；接着第三次调用着需要一个map即可，因为getVersion返回一个String而非Optional方法。
Cool！现在我们可以抛弃痛苦的嵌套非空检测了，使用Optional可以写出声明式的，更可读的代码，并且永远不会有空指针异常！
总结
本文介绍了如何使用Java SE 8的java.util.Optional<T>。Optional的目的不是替换你代码里面的每个null，它可以帮助你设计出更好的API，使用者通过方法签名就能知道是否有一个可选的值。另外，Optional通过强迫主动处理空指针情况，可以保护代码不出现NullPointException。
译后感
嵌套的非空检测确实是个很头大的问题，虽然有一些静态代码检测工具可以检测到这些异常，但是这样无聊的检测代码很是让人失望。Java 8引入的Optional确实可以部分缓解这部分问题；但是依然存在局限性，比如，如果某个特定的方法调用出了别的运行时异常怎么办？对于?Haskell Maybe Monad只吸收了一部分，不过已经很不错了，期待什么时候能引入Grovvy的?.操作符，在处理空指针问题上，?.更加简洁有力。
Optional虽好，但是Java 8目前并不普及，Android 就不用想了。虽然有retrolambda项目支持在Java 6里面使用lambda，但是它对默认方法以及接口的静态方法支持有限，对于Optional支持也有限。
虽然Grava项目也有一个Optional类，但是没有函数式接口，我们所能做的不过是把if (obj == null)替换为if (opt.isPresend())罢了；虽说能提高类型安全性，但是还是得写一堆shit一样的嵌套检测。
对于Android开发，想使用这个是没有希望了。但愿Kotlin能给我们惊喜。
参考
- Chapter 9, "Optional: a better alternative to null," from Java 8 in Action: Lambdas, Streams, and Functional-style Programming
- "Monadic Java" by Mario Fusco
- Processing Data with Java SE 8 Streams
致谢
Thanks to Alan Mycroft and Mario Fusco for going through the adventure of writing Java 8 in Action: Lambdas, Streams, and Functional-style Programming with me.
关于作者
Raoul-Gabriel Urma (@raoulUK) is currently completing a PhD in computer science at the University of Cambridge, where he does research in programming languages. He's a coauthor of the upcoming book Java 8 in Action: Lambdas, Streams, and Functional-style Programming, published by Manning. He is also a regular speaker at major Java conferences (for example, Devoxx and Fosdem) and an instructor. In addition, he has worked at several well-known companies—including Google's Python team, Oracle's Java Platform group, eBay, and Goldman Sachs—as well as for several startup projects.
