写给 Java 开发者的 Kotlin 教程 (5) - Null对象与类型安全

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Kotlin 的类型系统旨在消除来自代码空引用的危险,许多编程语言（包括 Java）中最常见的陷阱之一，就是访问空引用的成员会导致空引用异常。在 Java 中，这等同于 NullPointerException 或简称 NPE 。

一件趣事

“我把 Null 引用称为自己的十亿美元错误。它的发明是在1965 年，那时我用一个面向对象语言( ALGOL W )设计了第一个全面的引用类型系统。我的目的是确保所有引用的使用都是绝对安全的，编译器会自动进行检查。但是我未能抵御住诱惑，加入了Null引用，仅仅是因为实现起来非常容易。它导致了数不清的错误、漏洞和系统崩溃，可能在之后 40 年中造成了十亿美元的损失。近年来，大家开始使用各种程序分析程序，比如微软的 PREfix 和 PREfast 来检查引用，如果存在为非 Null 的风险时就提出警告。更新的程序设计语言比如 Spec# 已经引入了非 Null 引用的声明。这正是我在1965年拒绝的解决方案。”
—— 《Null References: The Billion Dollar Mistake》托尼·霍尔（Tony Hoare），图灵奖得主

Null的错误

简单来说：NULL 是一个不是值的值，而它现在有很多名字：NULL、nil、null、None、Nothing、Nil 和 nullptr。每种语言都有自己的细微差别。Null 有很多缺点，我们细数下罪状。

类型检测失败

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int length(String input){
    return input.Length();
}

在 Java 中，如果我编写 x.Length()，编译器会检查 x 的类型。如果 x 是一个 String，那么类型检查成功；

如果 x 是一个 Socket，那么类型检查失败，编译时检查存在一个致命缺陷：任何引用都可以是 null，而调用一个 null 对象的方法会产生一个 NullPointerException。

所以 null.Length() 会抛出一个 NullPointerException 而和原本的类型系统冲突，因为 NULL 超出了类型检查的范围。越过类型检查，运行时会给你一个巨大的惊喜。解决这种问题我们一般会选择 入参检测 来让错误尽早的暴露出来。

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int length(String input){
    Validate.nonNull(input, "input must be not null");
    return input.Length();
}

NULL 是一个特例

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UserVo getUser(Long id){
    //略
}

在这个函数定义中，返回值会有三种可能 UserVo null Expection， 而我们在 获取 null 值的时候，我们不知道是因为 ID 不对，还是其他其他问题，甚至于在实践阶段，我们可能赋予 null返回是一个特殊的情况，在外部应该给予处理。

除此之外 Null还有

  • NULL 难以调试
  • NULL 使我们需要进行大量的 IF 判断
  • NULL 存储在数据结构中，导致数据意义失效

Kotlin 解决之道

在 Java 1.8 之前我们使用使用 Guava 的 Optional 对，1.8 之后我们使用内置数据结构。
在 Kotlin 中，我们使用 类型系统 来帮助我们。

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var a: String = "abc"
a = null // 编译错误
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var b: String? = "abc"
b = null // ok

看出来了吗？我们使用 类型系统 区分一个引用可以为 null 还是不能容纳。这个时候我们如果访问其中的函数或变量

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var b: String? = "abc"
val l = b.length // 错误：变量“b”可能为空

那我们如何去访问这个对象的函数呢？有以下几种方式

在条件中检查 null

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var b: String? = "abc"
val l = if (b != null) b.length else -1

安全调用

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var b: String? = "abc"
b?.length

这里需要注意 如果 b 非空，就返回 b.length，否则返回 null，这个表达式的返回值是 Int? 类型。
而且我们可以采用 链式调用

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bob?.department?.head?.name

Elvis 操作符

我们都在 Optional 对象往往有这种的操作

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Optional<String> someOpt;
String unwrap = someOpt.orElse("Default");

而在 Kotlin 我们可以如下操作 

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val l = b?.length ?: -1

!! 操作符

非空断言运算符（!!）将任何值转换为非空类型

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val l = b!!.length  //如果 b 为空，就会抛出一个 NPE 异常

题外话

在大量的第三类库中

  • Guava 宣称在 95% 的代码处没有 null
  • Lombok 有一个注解 @Nonull 可以在生成代码中检测是否为空
  • Spring JPA 在 Reposity 定义中全面支持 Optional

Nonull 设计已经算是在 Java 领域非常成功的设计了，希望大家早日上船。

参考文献