【Java基础教程】（三十一）常用类库篇 · 第一讲：Optional类——解锁Java的Optional操作，消灭那些隐匿的空指针，还程序世界一个安稳！~-Toy模板网

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1️⃣ 概念

Optional 类是Java 8引入的新特性，旨在解决空值（null）的处理问题。它的设计目的是为了提供一种更好的方式来处理可能为空的值，避免使用null导致空指针异常。

Optional是一个容器对象，可以持有某个类型的非空值或者空值。它是一个包装类，用于替代可能为空的引用变量。

下面是Optional类的几个特征：

Optional 可以持有非空的值或空值；
通过一系列方法，可以对 Optional对象进行操作和转换；
Optional 提供了一套简洁的API，方便进行空值处理。

2️⃣ 优势和缺点

优点：

提高代码的可读性和可维护性，明确表达值可能为空的语义；
强制开发人员显式地处理空值情况，避免了空指针异常。

缺点：

可能引入一些额外的代码复杂性，增加代码量。

3️⃣ 使用

3.1 常用操作API

Java的Optional使用流程如下：

创建Optional对象：
- 使用Optional.ofNullable(value)创建一个Optional对象，并将value作为包装值，value可以是null。
- 使用Optional.of(value)创建一个Optional 对象，并将 value作为包装值，value不能为null，否则会抛出NullPointerException。
判断Optional对象是否包含值：
- 使用optional.isPresent()方法判断 Optional 对象是否包含非空值。
  ~~- 使用optional.isEmpty()方法判断Optional对象是否为空。~~
获取Optional对象的值：
- 使用optional.get()方法获取对象中的值。如果Optional对象包含值，返回该值；否则抛出NoSuchElementException异常。
使用默认值：
- 使用optional.orElse(defaultValue)方法获取Optional对象的值。如果对象包含值，则返回该值；否则返回指定的默认值。
- 使用optional.orElseGet(supplier)方法获取Optional对象的值。如果对象包含值，则返回该值；否则使用供应商函数生成一个值并返回。
条件过滤：
- 使用optional.filter(predicate)方法根据条件过滤 Optional对象。匹配的话返回当前对象，否则返回空的Optional对象。
转换值类型：
- 使用optional.map(mapper)方法将Optional 对象中的值转换为mapper函数的结果，并返回新的对象。
- 使用optional.flatMap(mapper)方法类似 map操作，但是返回的是 mapper函数所返回的Optional对象本身。
其他常用方法：
- 使用optional.ifPresent(consumer)方法，如果Optional对象包含值，则执行传入的操作。
- 使用optional.orElseThrow()方法，获取Optional对象的值，如果Optional对象包含值，则返回该值；否则抛出NoSuchElementException异常。

在使用Optional 时，应根据具体场景选择合适的方法进行操作。在链式调用中，可以通过一系列的 Optional 操作来进行连续、安全和可读性更高的调用流程，处理可能为空的值。

此外，使用Optional 还需要注意谨慎使用get()方法获取对象的值，最好使用更安全的方法如ifPresent、orElse等进行值的处理，以避免空指针异常的发生。

Java的 Optional类中全部的操作方法API汇总如下表：

方法名	说明
boolean isPresent()	判断Optional对象是否包含值。如果Optional对象包含非空值，返回true；否则返回false
ifPresent(Consumer<? super T> consumer)	如果Optional对象包含值，则执行传入的操作
T get()	如果Optional对象包含值，返回该值；否则抛出NoSuchElementException异常
T orElse(T other)	获取Optional对象的值，若不存在则返回默认值other
T orElseGet(Supplier<? extends T> other)	获取Optional对象的值，若不存在则使用提供的Supplier生成一个新值并返回
T orElseThrow()	获取Optional对象的值，若不存在则抛出NoSuchElementException异常
Optional filter(Predicate<? super T> predicate)	如果Optional对象包含值且满足条件，则返回当前Optional对象；否则返回空的Optional对象
map(Function<? super T, ? extends U> mapper)	对Optional对象中的值进行映射操作，返回新的Optional对象
flatMap(Function<? super T, Optional> mapper)	类似map操作，但返回的是mapper函数所返回的Optional对象本身

3.2 案例

下面是一个Java案例程序，演示了如何使用上述每个方法：

import java.util.NoSuchElementException;
import java.util.Optional;
import java.util.function.Predicate;
import java.util.function.Supplier;

public class OptionalExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 定义字符串
        String value1 = "Hello, world!";
        String value2 = null;

        // 1、创建Optional对象，并将字符串作为包装值
        Optional<String> optional1 = Optional.ofNullable(value1);
        Optional<String> nullOpt = Optional.ofNullable(value2);
        
        // 2、创建Optional对象，并将字符串作为包装值。注意这种方式下，value不能为null，否则会抛出NullPointerException
        Optional<String> optional2 = Optional.of("Hello, Java!");
        //value为null，会抛出NullPointerException
        try {
            nullOpt = Optional.of(value2);
        }catch (NullPointerException e){
            System.out.println(e);
        }

        // 3、创建一个空的Optional对象
        Optional<String> optional = Optional.empty();
        System.out.println("\n" + optional);
        
        // 4、判断Optional对象是否包含非空值
        System.out.println("\nIs optional1 present? " + optional1.isPresent());
        System.out.println("Is nullOpt present? " + nullOpt.isPresent());
        
        // 5、获取Optional对象中的值，如果不存在则抛出NoSuchElementException异常
        String result1 = optional1.get();
        System.out.println("\nValue of optional1: " + result1);
        try {
            String tempResult = nullOpt.get();
            System.out.println("Value of nullOpt: " + tempResult);
        }catch (NoSuchElementException e){
            System.out.println(e);
        }

        // 6、获取Optional对象的值，若不存在则返回指定的默认值
        String result2 = optional2.orElse("Default Value");
        System.out.println("\nValue of optional2: " + result2);
        String defaultResult = nullOpt.orElse("Default Value");
        System.out.println("Value of nullOpt: " + defaultResult);

        // 7、获取Optional对象的值，若不存在则使用提供的Supplier生成一个新值
        Supplier<? extends String> other = () -> "Generated Value";
        String result3 = optional2.orElseGet(other);
        System.out.println("\nValue of optional2: " + result3);
        String generatedResult = nullOpt.orElseGet(other);
        System.out.println("Value of nullOpt: " + generatedResult);
        
        // 8、根据条件过滤Optional对象，返回满足条件的Optional对象
        Predicate<? super String> predicate = s -> s.length() > 10;
        Optional<String> filteredOptional = optional1.filter(predicate);
        System.out.println("\nFiltered optional1: " + filteredOptional);
        filteredOptional = nullOpt.filter(predicate);
        System.out.println("Filtered nullOpt: " + filteredOptional);
        
        // 9、将Optional对象中的值转换为mapper函数的结果，并返回新的Optional对象
        Optional<Integer> lengthOptional = optional1.map(String::length);
        System.out.println("\nLength of optional1: " + lengthOptional.orElse(0));
        
        // 10、类似map操作，返回的是mapper函数所返回的Optional对象本身
        Optional<String> flatMappedOptional = optional1.flatMap(s -> Optional.of(s.toUpperCase()));
        System.out.println("\nFlattened and mapped optional1: " + flatMappedOptional.orElse(""));
        
        // 11、如果Optional对象包含值，则执行传入的操作
        System.out.println();
        optional2.ifPresent(System.out::println);

        // 12、获取Optional对象的值，若不存在则抛出自定义的异常
        try {
            String result = optional.orElseThrow(() -> new Exception("Exception: Value is not present"));
            System.out.println("\nValue of optional: " + result);
        }catch (Exception e) {
            System.out.println("\n" + e.getMessage());
        }
    }
}

运行结果如下：

java.lang.NullPointerException

Optional.empty

Is optional1 present? true
Is nullOpt present? false

Value of optional1: Hello, world!
java.util.NoSuchElementException: No value present

Value of optional2: Hello, Java!
Value of nullOpt: Default Value

Value of optional2: Hello, Java!
Value of nullOpt: Generated Value

Filtered optional1: Optional[Hello, world!]
Filtered nullOpt: Optional.empty

Length of optional1: 13

Flattened and mapped optional1: HELLO, WORLD!

Hello, Java!

Exception: Value is not present

3.3 使用技巧

使用Optional 时可以考虑以下几点优化技巧：

尽量不要在方法参数或返回类型中使用 Optional。Optional主要用于局部变量和字段，以表明其可能为空；
尽量避免使用optional.get()方法获取 Optional 对象的值，可以使用ifPresent()、orElse()等更安全的方法来处理值的情况；
谨慎使用嵌套Optional，避免过度复杂化逻辑。

4️⃣ 应用场景

常见的应用场景包括：

避免null处理：Optional可以使得代码更加清晰明确，避免因为忽略处理空值而导致空指针异常；
方法返回值：用于替代可能为空的返回值，以便提供更好的可读性；
链式调用：通过一系列的Optional操作，可以进行连续且安全的调用链。

结合实际生产应用来说，Optional在以下业务场景可以发挥重要的作用：

处理外部API调用，当返回值可能为空时使用Optional来封装；
解析JSON对象时，若某些字段为可选字段，可使用Optional来处理；
在数据库查询中，如果结果可能为空，可以使用Optional处理。

5️⃣ 实现原理

Optional类是一个常规的、泛型化的类，通过包装值的方式来处理可能为空的情况。它采用了一些与空对象模式相关的思想，Optional类提供了一组丰富的操作方法，以便更方便地处理可选值，避免了使用空对象时的空指针异常。

Optional类的设计灵感之一可以类比为空对象模式（Null Object Pattern）。
在空对象模式中，需要处理某个操作的对象可能为空，而使用空对象作为代替，以避免空指针异常。
对于Optional类来说，当value字段为null时，表示该Optional对象为空，它也被视作特殊的空对象。

Optional类内部有一个私有字段value，用于存储包装的值。value字段的类型是泛型T，即可以是任何类型的值。如果Optional对象包含一个非空值，则value字段存储这个值；如果Optional对象为空，则value字段为null。

🌾 总结

Optional类是Java 8引入的强大工具，用于解决空值处理问题。它可以用于包装可能为空的引用，提供一种更优雅且可读性更高的方式来表示和处理可能为空的值。使用Optional类，我们可以明确表达值是可空的，并通过一系列简单的操作方法来避免潜在的空指针异常。

尽管Optional并不适用于所有情况，但在正确的场景下，它可以大大提高代码的可读性和可维护性。然而，需要谨慎使用Optional，避免过度使用，以免引入额外的复杂性。了解Optional的基础和高级语法、Java操作API以及实现原理等方面的知识，将有助于正确地应用和优化Optional，从而编写更稳健的Java代码。

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