新手Java開發(fā)總是經(jīng)?？罩羔槞z查，甚至某些老手也會(huì)犯這樣的問題。我們來看看如何系統(tǒng)地避免空指針問題。

首先需指出的是，Java語言層面就支持引用為空，再怎么優(yōu)秀的方法也無法繞過語言底層的設(shè)定。

好消息是：空指針問題并沒特別難解決。根據(jù)谷歌的內(nèi)部調(diào)查，代碼中使用空指針的概率約為95%，筆者在工作中的實(shí)際體驗(yàn)也和這個(gè)數(shù)據(jù)相差不大，甚至更低。只有少量的代碼需要注意空指針問題，比如我們很少見集合對(duì)象中存在null，很多方法的調(diào)用也是空指針安全的。

防止空指針的基本思路

• 靜態(tài)代碼分析工具
• 快速失?。╢ail-fast), 代碼空指針檢查
• 兼容 null
• 減少使用 null

使用靜態(tài)代碼分析工具

Java中靜態(tài)代碼分析工具有很多，F(xiàn)indBugs、SpotBugs、ErrorProne 等等，筆者使用的IDEA自帶的代碼分析器。

打開方法：Settings -> Inspections -> 搜索nullability，勾選相關(guān)選項(xiàng)。 對(duì)于新項(xiàng)目，建議盡量都勾選上，同時(shí)提示類型為warning及以上。以后遇到相關(guān)空指針報(bào)警時(shí)，可以快速定位問題。

以下列舉一些優(yōu)秀的代碼規(guī)范：

1.如果方法返回對(duì)象可能為空，使用Optional封裝。

對(duì)應(yīng)了IDEA代碼中Probable Bugs => Nullability problems => Return of 'null' 稍差一點(diǎn)的方法是使用注解（NonNull）標(biāo)注。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)制方法調(diào)用者檢查。如果調(diào)用者確認(rèn)對(duì)象存在，可以強(qiáng)制獲取對(duì)象opt.orElseThrow(),如果不確定返回結(jié)果是否存在，可以使用Optonal提供的方法進(jìn)行鏈?zhǔn)教幚?，不能進(jìn)行鏈?zhǔn)教幚淼?，可以調(diào)用orElse(null)，進(jìn)行空校驗(yàn)。

值得一提的是，如var userOpt = repo.getUser(userId);獲取user后，再調(diào)用orElse(null),看似多此一舉，實(shí)則已經(jīng)提示開發(fā)需要進(jìn)行判空。雖然其與方法直接返回null,再進(jìn)行空判斷的邏輯一致。

Optional難以進(jìn)行鏈?zhǔn)教幚淼那闆r大多為兩種：一是多種變量進(jìn)行運(yùn)算，二是需要提前返回結(jié)果（衛(wèi)模式）。

2.實(shí)際代碼開發(fā)中，對(duì)于常用獲取操作，還可以封裝成新方法。

getCheckedUser(userId) -> @NonNull User

當(dāng)user不存在時(shí)，會(huì)拋出業(yè)務(wù)異常BusinessException("用戶不存在") 存在則返回非空對(duì)象

3.不要在方法參數(shù)中允許傳空

可以為空的參數(shù)可以通過枚舉、拆分出多個(gè)方法、使用方法參數(shù)對(duì)象實(shí)現(xiàn)。

方法參數(shù)中傳空指針會(huì)讓代碼難以理解。 比如repo.getUser(null);

這里傳空可以返回空，或者返回所有用戶。如果方法沒有在注釋或文檔中標(biāo)明，調(diào)用者需要閱讀方法的具體實(shí)現(xiàn)，違背了封裝的原則。

這里最簡單的改造方法是新增方法getAllUsers(), 同時(shí)原方法禁止傳空。

4.使用Nullability相關(guān)注解

目前空指針相關(guān)注解并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各家都有各自的實(shí)現(xiàn)，不過很多實(shí)際上大同小異，幾乎所有的注解IDEA都可以分析（一般就@Nullable和@NonNull兩種）。

使用方法非常簡單，對(duì)于方法返回值、參數(shù)、字段，如果可為空，就標(biāo)注@Nullable。

我推薦使用JSpecify,當(dāng)前該項(xiàng)目試圖提供統(tǒng)一的空指針注解方案，雖然目前還沒有定論，不過其提供的注解足夠滿足當(dāng)前的代碼需要。

其支持一些邊界條件，比如其注解支持泛型參數(shù)標(biāo)注，提供默認(rèn)非空范圍標(biāo)注@NullMarked（Guava中使用@ElementTypesAreNonnullByDefault）。

對(duì)于復(fù)雜的情況可以參考其規(guī)范：jspecify.dev/docs/spec

這里不想討論過多的邊界情況，僅舉一例：

對(duì)象的某個(gè)屬性在初始化前為空，初始化后不為空，如何標(biāo)注？這個(gè)屬性可以標(biāo)注為@Nullable，不過更好的解決方法是標(biāo)注非空+注釋，同時(shí)在報(bào)警的位置@SuppressWarning。

public class Demo {

    @SuppressWarnings("NotNullFieldNotInitialized")
    @NonNull
    @Getter
    private String serviceName;

    public void init() {
        serviceName = "demoService";
    }
}

快速失?。╢ail-fast）

快速失敗在這里指的是：如果對(duì)象需要不為空，就提前在代碼中明確；而不是在用到的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)原來不能為空的對(duì)象是空指針。

大多數(shù)NPE都是上面這種場景，發(fā)生NPE后，排查代碼時(shí)，從堆棧一步一步地往后找，最終可以找到問題的源頭可能就是原本被認(rèn)為不能為空的對(duì)象實(shí)際是空指針。

對(duì)外暴露的代碼如果不進(jìn)行快速失敗處理，調(diào)用者就會(huì)覺得可能是原方法的問題，比如：

遠(yuǎn)程調(diào)用userService#getUser(userId)，傳入?yún)?shù)為null, 這時(shí)被調(diào)用方報(bào)空指針異常,這個(gè)問題的源頭應(yīng)該由被調(diào)用方負(fù)責(zé)；正確的返回結(jié)果應(yīng)該是報(bào)錯(cuò)'傳入userId不能為空'或者返回null。

Guava中提供了Preconditions類，包含以下3個(gè)非常有用的方法： checkNotNull, checkState, checkArgument。

標(biāo)準(zhǔn)庫也緊隨其后，在Objects類中，常用的方法為：

requireNonNull（IDEA中快捷鍵var.req）, requireNonNullElse, requireNonNullElseGet.

后兩個(gè)方法可以用來賦初值或默認(rèn)值。

Validator規(guī)范常常用于對(duì)象字段校驗(yàn)，@NotNull 可以用于空指針校驗(yàn)，這里不贅述。

從Spring中隨便拉取一個(gè)構(gòu)造器方法，其便使用了快速失敗方法：

public PropertyValue(PropertyValue original, @Nullable Object newValue) {
    Assert.notNull(original, "Original must not be null");
    this.name = original.getName();
    this.value = newValue;
    this.optional = original.isOptional();
    this.conversionNecessary = original.conversionNecessary;
    this.resolvedTokens = original.resolvedTokens;
    setSource(original);
    copyAttributesFrom(original);
}

再舉一例，代碼中常常需要手動(dòng)實(shí)現(xiàn)類似數(shù)據(jù)庫的join操作，此時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建索引map, map.get方法返回值可能為空，我們確定不為空,就可以代碼確認(rèn)。這樣在測試時(shí)，出現(xiàn)問題時(shí)可以快速定位。

修改后代碼如下

class JoinDemo {
    public static List<UserRoleDTO> toDTOs(List<User> users, List<Role> roles, List<UserRoleRelation> relations) {
        var roleIdsByUserId = relations.stream().collect(
                toImmutableSetMultimap(r -> r.userId(), r -> r.roleId()));
        var roleMap = Maps.uniqueIndex(roles, Role::id);
        return users.stream()
                .map(u -> {
                    var roleNames = roleIdsByUserId.get(u.id()).stream()
                            .map(roleMap::get)
                            .map(r -> Objects.requireNonNull(r).name())
                            .toList();
                    return UserRoleDTO.builder()
                            .userId(u.id())
                            .userName(u.name())
                            .roles(roleNames)
                            .build();
                })
                .toList();
    }
}

@Builder
record UserRoleDTO(Long userId, String userName, List<String> roles) {}

record User(Long id, String name) {}

record UserRoleRelation(Long userId, Long roleId) {}

record Role(Long id, String name) {}

兼容null

一般來說null表示沒有或者空對(duì)象，我們可以在代碼中兼容null, 從而避免程序的崩潰，提升健壯性。 常見的null安全方法如：
CollectionUtils.isEmpty, StringUtils.isBlank, ListUtils.emptyIfNull, Strings.nullToEmpty... 對(duì)于不受信任的代碼，安全起見，可以使用兼容方法（防御性編程）。

代碼中最常見的POJO對(duì)象，方法如果返回集合對(duì)象，可以返回空集合，這樣調(diào)用者可以直接在返回對(duì)象上調(diào)用方法，形成鏈?zhǔn)秸{(diào)用提高可讀性。

類似地可以推廣到空對(duì)象模式，字符串的空對(duì)象為'',基本類型的空對(duì)象可以用Optional封裝，這樣自由組合成任意的空對(duì)象。空對(duì)象可以不為單例，上例中的用戶角色對(duì)象，空對(duì)象可以為（userId: 1, userName: '樺說', roles: []）,表示用戶沒有任何角色。

此處的對(duì)象不僅僅指的是具體的對(duì)象，還可以是比較抽象的責(zé)任鏈、服務(wù)注冊(cè)模式中的兜底對(duì)象，單元測試中的空實(shí)現(xiàn)對(duì)象（Mock對(duì)象）等。

減少使用 null

很多情況下null可以不存在。

如果沒有IDE的支持，我們甚至不知道null的名字，是的，大多數(shù)時(shí)候我們不會(huì)給不變的null變量（如val user）起名字。

比如當(dāng)新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)象，然后插入數(shù)據(jù)庫，方法調(diào)用如下：

var newUser = new UserPO(null, userName, null, null, 'admin');
userRepo.insert(newUser);

這是第一個(gè)null表示id, 第二個(gè)表示用戶類型（可以為空，表示普通用戶），第三個(gè)表示創(chuàng)建時(shí)間，空表示使用數(shù)據(jù)插入時(shí)間。
這個(gè)例子恰好說明了null降低了代碼的可讀性，甚至可維護(hù)性。

可以使用builder模式解決這個(gè)問題，

var newUser = UserPO.builder()
    .userName(userName)
    .operator('admin')
    .build();
userRepo.insert(newUser);  

同理，方法的調(diào)用除了拆解方法功能，還可以提取方法參數(shù)（ParameterObject）對(duì)象實(shí)現(xiàn)排除null的使用。

黑魔法：使用lombok.NonNull

lombok中@NonNull注解提供了以上所述的靜態(tài)代碼檢查、運(yùn)行時(shí)快速失敗功能，可以標(biāo)注在方法參數(shù)、對(duì)象字段上。如果對(duì)于lombok的具體實(shí)現(xiàn)不清楚，可以直接查看 build 的代碼或者使用IDEA的delombok功能。

標(biāo)注在對(duì)象字段上時(shí)，生成的代碼可以作用在setter方法、構(gòu)造器上：

@Data
class NonNullDemo{
    @lombok.NonNull
    private String name;
}

生成的代碼：

class NonNullDemo {
    private @NonNull String name;

    public NonNullDemo(final @NonNull String name) {
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException("name is marked non-null but is null");
        } else {
            this.name = name;
        }
    }

    public @NonNull String getName() {
        return this.name;
    }

    public void setName(final @NonNull String name) {
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException("name is marked non-null but is null");
        } else {
            this.name = name;
        }
    }
}

總之，通過以上方法可以極大地降低空指針發(fā)生的概率。

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