55. 明智审慎地返回 Optional

在 Java 8 之前，编写在特定情况下无法返回任何值的方法时，可以采用两种方法。要么抛出异常，要么返回 null（假设返回类型是对象是引用类型）。但这两种方法都不完美。应该为异常条件保留异常 （详见第 69 条），并且抛出异常代价很高，因为在创建异常时捕获整个堆栈跟踪。返回 null 没有这些缺点，但是它有自己的缺陷。如果方法返回 null，客户端必须包含特殊情况代码来处理 null 返回的可能性，除非程序员能够证明 null 返回是不可能的。如果客户端忽略检查 null 返回并将 null 返回值存储在某个数据结构中，那么会在将来的某个时间在与这个问题不相关的代码位置上，抛出NullPointerException异常的可能性。

在 Java 8 中，还有第三种方法来编写可能无法返回任何值的方法。Optional<T>类表示一个不可变的容器，它可以包含一个非 null 的T引用，也可以什么都不包含。不包含任何内容的 Optional 被称为空（empty）。非空的包含值称的 Optional 被称为存在（present）。Optional 的本质上是一个不可变的集合，最多可以容纳一个元素。Optional<T>没有实现Collection<T>接口，但原则上是可以。

在概念上返回 T 的方法，但在某些情况下可能无法这样做，可以声明为返回一个Optional<T>。这允许该方法返回一个空结果，以表明不能返回有效的结果。返回 Optional 的方法比抛出异常的方法更灵活、更容易使用，而且比返回 null 的方法更不容易出错。

在条目 30 中，我们展示了根据集合中元素的自然顺序计算集合最大值的方法。

// Returns maximum value in collection - throws exception if empty
public static <E extends Comparable<E>> E max(Collection<E> c) {
    if (c.isEmpty())
        throw new IllegalArgumentException("Empty collection");

    E result = null;
    for (E e : c)
        if (result == null || e.compareTo(result) > 0)
            result = Objects.requireNonNull(e);
    return result;
}

如果给定集合为空，此方法将抛出IllegalArgumentException异常。我们在条目 30 中提到，更好的替代方法是返回Optional<E>。下面是修改后的方法:

// Returns maximum value in collection as an Optional<E>
public static <E extends Comparable<E>>
        Optional<E> max(Collection<E> c) {
    if (c.isEmpty())
        return Optional.empty();
 
    E result = null;
    for (E e : c)
        if (result == null || e.compareTo(result) > 0)
            result = Objects.requireNonNull(e);
    return Optional.of(result);
}

如你所见，返回 Optional 很简单。 你所要做的就是使用适当的静态工厂创建 Optional。 在这个程序中，我们使用两个：Optional.empty() 返回一个空的 Optional， Optional.of(value) 返回一个包含给定非 null 值的 Optional。 将 null 传递给 Optional.of(value) 是一个编程错误。 如果这样做，该方法通过抛出 NullPointerException 异常作为回应。 Optional.of(value) 方法接受一个可能为 null 的值，如果传入 null 则返回一个空的 Optional。永远不要通过返回 Optional 的方法返回一个空值：它破坏 Optional 设计的初衷。

Stream 上的很多终止操作返回 Optional。如果我们重写 max 方法来使用一个Stream，那么 Stream 的 max 操作会为我们生成 Optional 的工作 (尽管我们还是传递一个显式的Comparator):

// Returns max val in collection as Optional<E> - uses stream
public static <E extends Comparable<E>>
        Optional<E> max(Collection<E> c) {
    return c.stream().max(Comparator.naturalOrder());
}

那么，如何选择返回 Optional 而不是返回 null 或抛出异常呢？Optional在本质上类似于检查异常（checked exceptions）（详见第 71 条），因为它们迫使 API 的用户面对可能没有返回任何值的事实。抛出未检查的异常或返回 null 允许用户忽略这种可能性，从而带来潜在的可怕后果。但是，抛出一个检查异常需要在客户端中添加额外的样板代码。

如果方法返回一个 Optional，则客户端可以选择在方法无法返回值时要采取的操作。 可以指定默认值：

// Using an optional to provide a chosen default value
String lastWordInLexicon = max(words).orElse("No words...");

或者可以抛出任何适当的异常。注意，我们传递的是异常工厂，而不是实际的异常。这避免了创建异常的开销，除非它真的实际被抛出:

// Using an optional to throw a chosen exception
Toy myToy = max(toys).orElseThrow(TemperTantrumException::new);

如果你能证明 Optional 非空，你可以从 Optional 获取值，而不需要指定一个操作来执行。但是如果 Optional 是空的，你判断错了，代码会抛出一个 NoSuchElementException 异常:

// Using optional when you know there’s a return value
Element lastNobleGas = max(Elements.NOBLE_GASES).get();

有时候，可能会遇到这样一种情况：获取默认值的代价很高，除非必要，否则希望避免这种代价。对于这些情况，Optional 提供了一个方法，该方法接受 Supplier<T>，并仅在必要时调用它。这个方法被称为 orElseGet，但是或许应该被称为 orElseCompute，因为它与以compute开头的三个 Map 方法密切相关。有几个 Optional 的方法来处理更特殊的用例：filter、map 、flatMap 和 ifPresent。在 Java 9 中，又添加了两个这样的方法： or 和 ifPresentOrElse。如果上面描述的基本方法与你的用例不太匹配，请查看这些更高级方法的文档，并查看它们是否能够完成任务。

如果这些方法都不能满足你的需要，Optional 提供 isPresent() 方法，可以将其视为安全阀。如果 Optional 包含值，则返回 true；如果为空，则返回 false。你可以使用此方法对可选结果执行任何喜欢的处理，但请确保明智地使用它。isPresent 的许多用途都可以被上面提到的一种方法所替代。生成的代码通常更短、更清晰、更符合习惯。

例如，请考虑此代码段，它打印一个进程的父进程 ID，如果进程没有父进程，则打印 N/A. 该代码段使用 Java 9 中引入的 ProcessHandle 类：

Optional<ProcessHandle> parentProcess = ph.parent();
System.out.println("Parent PID: " + (parentProcess.isPresent() ?
    String.valueOf(parentProcess.get().pid()) : "N/A"));

上面的代码可以被如下代码所替代，使用了 Optional 的 map 方法：

System.out.println("Parent PID: " +
  ph.parent().map(h -> String.valueOf(h.pid())).orElse("N/A"));

当使用 Stream 进行编程时，通常会发现使用的是一个 Stream<Optional<T>>，并且需要一个 Stream<T>，其中包含非 Optional 中的所有元素，以便继续进行。如果你正在使用 Java 8，下面是弥补这个差距的代码:

streamOfOptionals
    .filter(Optional::isPresent)
    .map(Optional::get)

在 Java 9 中，Optional 配备了一个 stream() 方法。这个方法是一个适配器， 此方法是一个适配器，它将 Optional 变为包含一个元素的 Stream，如果 Optional 为空，则不包含任何元素。此方法与 Stream 的 flatMap 方法 (条目 45) 相结合，这个方法可以简洁地替代上面的方法：

streamOfOptionals.
    .flatMap(Optional::stream)

并不是所有的返回类型都能从 Optional 的处理中获益。容器类型，包括集合、映射、Stream、数组和 Optional，不应该封装在 Optional 中。与其返回一个空的Optional<List<T>>，不还如返回一个空的 List<T>（详见第 54 条）。返回空容器将消除客户端代码处理 Optional 的需要。ProcessHandle 类确实有 arguments 方法，它返回Optional<String[]>，但是这个方法应该被视为一种异常，不该被效仿。

那么什么时候应该声明一个方法来返回 Optional<T> 而不是 T 呢？ 通常，如果可能无法返回结果，并且在没有返回结果，客户端还必须执行特殊处理的情况下，则应声明返回 Optional <T> 的方法。也就是说，返回 Optional<T> 并非没有成本。 Optional 是必须分配和初始化的对象，从 Optional 中读取值需要额外的迂回。 这使得 Optional 不适合在某些性能关键的情况下使用。 特定方法是否属于此类别只能通过仔细测量来确定（详见第 67 条）。

与返回装箱的基本类型相比，返回包含已装箱基本类型的 Optional 的代价高得惊人，因为 Optional 有两个装箱级别，而不是零。因此，类库设计人员认为为基本类型 int、long 和 double 提供类似 Option<T> 是合适的。这些 Option 是 OptionalInt、OptionalLong 和 OptionalDouble。它们包含 Optional<T> 上的大多数方法，但不是所有方法。因此，除了「次要基本类型（minor primitive types）」Boolean，Byte，Character，Short 和 Float 之外，永远不应该返回装箱的基本类型的 Optional。

到目前为止，我们已经讨论了返回 Optional 并在返回后处理它们的方法。我们还没有讨论其他可能的用法，这是因为大多数其他 Optional 的用法都是可疑的。例如，永远不要将 Optional 用作映射值。如果这样做，则有两种方法可以表示键（key）在映射中逻辑上的缺失：键要么不在映射中，要么存在的话映射到一个空的 Optional。这反映了不必要的复杂性，很有可能导致混淆和错误。更通俗地说，在集合或数组中使用 Optional 的键、值或元素几乎都是不合适的。

这里留下了一个悬而未决的大问题。在实例中存储 Optional 属性是否合适吗？通常这是一种“不好的味道”：它建议你可能应该有一个包含 Optional 属性的子类。但有时这可能是合理的。考虑条目 2 中的 NutritionFacts 类的情况。NutritionFacts 实例包含许多不需要的属性。不可能为这些属性的每个可能组合都提供一个子类。此外，属性包含基本类型，这使得很难直接表示这种缺失。对于 NutritionFacts 最好的 API 将为每个 Optional 属性从 getter 方法返回一个 Optional，因此将这些 Optional 作为属性存储在对象中是很有意义的。

总之，如果发现自己编写的方法不能总是返回值，并且认为该方法的用户在每次调用时考虑这种可能性很重要，那么或许应该返回一个 Optional 的方法。但是，应该意识到，返回 Optional 会带来实际的性能后果；对于性能关键的方法，最好返回 null 或抛出异常。最后，除了作为返回值之外，不应该在任何其他地方中使用 Optional。