JAVA 7 to 17 Optional

一、前言

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在 Java 的世界裡， NullPointerException (NPE) 一直是開發者們揮之不去的夢魘。在 Java 8 之前，我們通常使用繁瑣的 if 語句來檢查物件是否為空，這種方式不僅使程式碼變得冗長，還容易遺漏檢查，導致程式在執行時拋出 NPE。為了解決這個問題，Java 8 引入了 java.util.Optional 類別。

Optional 的出現並非為了完全取代 null，而是提供了一種更加安全、優雅的方式來處理可能為空的值，它強制開發者思考潛在的空值情況，並主動處理它們，從而減少 NPE 的發生。從 Java 8 到 Java 17，Optional 的概念沒有發生根本性的改變，但是一些 API 和使用場景得到了進一步的完善。本文將梳理 Java 7 到 17 中 Optional 的演進，以便讀者更好地理解和使用它。

目錄

• 一、前言
  • 目錄
• 二、Java 7 及之前的 null 處理問題
• 三、Java 8 引入 Optional 類別
  • (3.1) Optional.of(T value)：
  • (3.2) Optional.ofNullable(T value)：
  • (3.3) Optional.empty()：
  • (3.4) isPresent()：
  • (3.5) get()：
  • (3.6) orElse(T other)：
  • (3.7) orElseGet(Supplier<? extends T> other)：
  • (3.8) orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier)：
  • (3.9) ifPresent(Consumer<? super T> consumer)：
  • (3.10) map(Function<? super T, ? extends U> mapper)：
  • (3.11) flatMap(Function<? super T, Optional<U>> mapper)：
• 四、Java 9 和 Java 10 中 Optional 的增強
  • (4.1) ifPresentOrElse(Consumer<? super T> action, Runnable emptyAction) (Java 9)：
  • (4.2) or(Supplier<? extends Optional<? extends T>> supplier) (Java 9)：
  • (4.3) stream() (Java 9)：
  • (4.4) orElseThrow() (Java 10)：
• 五、Java 11 到 Java 17 的 Optional 變化
• 六、總結

二、Java 7 及之前的 null 處理問題

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在 Java 7 及之前，處理可能為空的值通常採用以下方式：

1. 顯式的 null 檢查： 使用 if (object != null) { ... } 來判斷物件是否為空。這種方式程式碼冗長，容易遺漏，且不夠清晰。

2. 拋出例外： 如果一個方法需要返回一個物件，而該物件可能為空，則直接返回 null 或者拋出自定義的例外。

這些方式的缺點很明顯：

• 程式碼冗餘： 充滿了 if (object == null) 的檢查，使程式碼難以維護。
• 容易出錯： 忘記檢查 null 就會導致程式在執行時拋出 NullPointerException 。
• 可讀性差： 複雜的 if 巢狀使得程式碼難以理解。

三、Java 8 引入 Optional 類別

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Java 8 引入 java.util.Optional 類別，它的目的是：

1. 明確表達可能為空的值： 使用 Optional 包裝一個值，可以明確表明這個值可能為空。
2. 強制開發者處理空值： 透過 Optional 提供的各種方法，強制開發者思考如何處理空值情況。
3. 提供函數式 API： Optional 提供了各種函數式方法，方便進行鏈式操作，提高程式碼可讀性。

Optional 的主要方法：

(3.1) Optional.of(T value)：

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建立一個包含非空值的 Optional 物件。如果 value 為 null，則拋出 NullPointerException。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_1(); } // (3.1) Optional.of(T value) public static void example3_1() { try { Optional<String> optional = Optional.of("Hello"); System.out.println("Example 3.1 - Value: " + optional.get()); Optional.of(null); // This will throw NullPointerException } catch (NullPointerException e) { System.out.println("Example 3.1 - Exception: " + e.getMessage()); } } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.1 - Value: Hello Example 3.1 - Exception: null

(3.2) Optional.ofNullable(T value)：

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建立一個包含值的 Optional 物件。如果 value 為 null，則返回一個空的Optional 物件。 範例：

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_2(); } // (3.2) Optional.ofNullable(T value) public static void example3_2() { String name = "Alice"; String nullName = null; Optional<String> optionalName = Optional.ofNullable(name); Optional<String> optionalNullName = Optional.ofNullable(nullName); System.out.println("Example 3.2 - optionalName is present: " + optionalName.isPresent()); System.out.println("Example 3.2 - optionalNullName is present: " + optionalNullName.isPresent()); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.2 - optionalName is present: true Example 3.2 - optionalNullName is present: false

(3.3) Optional.empty()：

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建立一個空的 Optional 物件。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_3(); } // (3.3) Optional.empty() public static void example3_3() { Optional<String> optional = Optional.empty(); System.out.println("Example 3.3 - optional is present: " + optional.isPresent()); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.3 - optional is present: false

(3.4) isPresent()：

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檢查 Optional 物件是否包含值。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_4(); } // (3.4) isPresent() public static void example3_4() { Optional<String> optional = Optional.ofNullable("Hello"); System.out.println("Example 3.4 - isPresent: " + optional.isPresent()); Optional<String> optional2 = Optional.ofNullable(null); System.out.println("Example 3.4 - isPresent2: " + optional2.isPresent()); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.4 - isPresent: true Example 3.4 - isPresent2: false

(3.5) get()：

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取得 Optional 物件中的值。如果物件為空，則拋出 NoSuchElementException。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_5(); } // (3.5) get() public static void example3_5() { Optional<String> optional = Optional.of("Hello"); System.out.println("Example 3.5 - Value: " + optional.get()); Optional<String> optional2 = Optional.empty(); try { optional2.get(); // This will throw NoSuchElementException } catch (NoSuchElementException e) { System.out.println("Example 3.5 - Exception: " + e.getMessage()); } } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.5 - Value: Hello Example 3.5 - Exception: No value present

(3.6) orElse(T other)：

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如果 Optional 物件包含值，則返回該值；否則，返回提供的預設值 other。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_6(); } // (3.6) orElse(T other) public static void example3_6() { Optional<String> optional = Optional.ofNullable("Hello"); String value = optional.orElse("Default"); System.out.println("Example 3.6 - Value: " + value); Optional<String> optional2 = Optional.ofNullable(null); String value2 = optional2.orElse("Default2"); System.out.println("Example 3.6 - Value2: " + value2); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.6 - Value: Hello Example 3.6 - Value2: Default2

(3.7) orElseGet(Supplier<? extends T> other)：

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類似 orElse，但預設值是透過 Supplier 提供的，只有在需要時才計算，提高效率。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_7(); } // (3.7) orElseGet(Supplier<? extends T> other) public static void example3_7() { Supplier<String> supplier = () -> { System.out.println("Example 3.7 - Supplier is called"); return "Default Supplier"; }; Optional<String> optional = Optional.ofNullable("Hello"); String value = optional.orElseGet(supplier); System.out.println("Example 3.7 - Value: " + value); Optional<String> optional2 = Optional.ofNullable(null); String value2 = optional2.orElseGet(supplier); System.out.println("Example 3.7 - Value2: " + value2); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.7 - Value: Hello Example 3.7 - Supplier is called Example 3.7 - Value2: Default Supplier

(3.8) orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier)：

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如果 Optional 物件為空，則拋出指定的例外。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_8(); } // (3.8) orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier) public static void example3_8() { Optional<String> optional = Optional.of("Hello"); String value = optional.orElseThrow(() -> new NoSuchElementException("Example 3.8 - No value")); System.out.println("Example 3.8 - Value: " + value); Optional<String> optional2 = Optional.empty(); try { optional2.orElseThrow(() -> new NoSuchElementException("Example 3.8 - No value 2")); } catch (NoSuchElementException e) { System.out.println("Example 3.8 - Exception: " + e.getMessage()); } } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.8 - Value: Hello Example 3.8 - Exception: Example 3.8 - No value 2

(3.9) ifPresent(Consumer<? super T> consumer)：

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如果 Optional 物件包含值，則對值應用給定的 Consumer 操作。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_9(); }// (3.9) ifPresent(Consumer<? super T> consumer) public static void example3_9() { Optional<String> optional = Optional.ofNullable("Hello"); optional.ifPresent(str -> System.out.println("Example 3.9 - Value: " + str)); Optional<String> optional2 = Optional.ofNullable(null); optional2.ifPresent(str -> System.out.println("Example 3.9 - Value2: " + str)); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.9 - Value: Hello

(3.10) map(Function<? super T, ? extends U> mapper)：

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對 Optional 中的值應用映射函數。如果 Optional 為空，則返回空 Optional。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_10(); } // (3.10) map(Function<? super T, ? extends U> mapper) public static void example3_10() { Optional<String> optional = Optional.ofNullable("Hello"); Optional<Integer> length = optional.map(String::length); length.ifPresent(len -> System.out.println("Example 3.10 - Length: " + len)); Optional<String> optional2 = Optional.ofNullable(null); Optional<Integer> length2 = optional2.map(String::length); length2.ifPresent(len -> System.out.println("Example 3.10 - Length2: " + len)); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.10 - Length: 5

(3.11) flatMap(Function<? super T, Optional<U>> mapper)：

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類似 map，但映射函數返回另一個 Optional 物件。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example3_11(); } // (3.11) flatMap(Function<? super T, Optional<U>> mapper) public static void example3_11() { Optional<String> optional = Optional.ofNullable("Hello"); Optional<String> optional2 = optional.flatMap(str -> Optional.of("Transformed: " + str)); optional2.ifPresent(str -> System.out.println("Example 3.11 - Value: " + str)); Optional<String> optional3 = Optional.ofNullable(null); Optional<String> optional4 = optional3.flatMap(str -> Optional.of("Transformed2: " + str)); optional4.ifPresent(str -> System.out.println("Example 3.11 - Value2: " + str)); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 3.11 - Value: Transformed: Hello

四、Java 9 和 Java 10 中 Optional 的增強

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Java 9 和 10 對 Optional 進行了小幅增強，添加了一些新的方法：

(4.1) ifPresentOrElse(Consumer<? super T> action, Runnable emptyAction) (Java 9)：

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如果 Optional 物件包含值，則執行 action；否則，執行 emptyAction，提供了更全面的處理邏輯。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example4_1(); } // (4.1) ifPresentOrElse(Consumer<? super T> action, Runnable emptyAction) (Java 9) public static void example4_1() { Optional<String> optional = Optional.of("Hello"); optional.ifPresentOrElse(str -> System.out.println("Example 4.1 - Value: " + str), () -> System.out.println("Example 4.1 - Value is empty")); Optional<String> optional2 = Optional.empty(); optional2.ifPresentOrElse(str -> System.out.println("Example 4.1 - Value2: " + str), () -> System.out.println("Example 4.1 - Value2 is empty")); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 4.1 - Value: Hello Example 4.1 - Value2 is empty

(4.2) or(Supplier<? extends Optional<? extends T>> supplier) (Java 9)：

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如果 Optional 物件為空，則返回 Supplier 提供的新的 Optional 物件。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example4_2(); } // (4.2) or(Supplier<? extends Optional<? extends T>> supplier) (Java 9) public static void example4_2() { Optional<String> optional = Optional.of("Hello"); Optional<String> result = optional.or(() -> Optional.of("Default")); result.ifPresent(str -> System.out.println("Example 4.2 - Value: " + str)); Optional<String> optional2 = Optional.empty(); Optional<String> result2 = optional2.or(() -> Optional.of("Default2")); result2.ifPresent(str -> System.out.println("Example 4.2 - Value2: " + str)); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 4.2 - Value: Hello Example 4.2 - Value2: Default2

(4.3) stream() (Java 9)：

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將 Optional 物件轉換為 Stream 物件，方便與 Stream API 一起使用。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example4_3(); } // (4.3) stream() (Java 9) public static void example4_3() { Optional<String> optional = Optional.of("Hello"); Stream<String> stream = optional.stream(); stream.forEach(str -> System.out.println("Example 4.3 - Value: " + str)); Optional<String> optional2 = Optional.empty(); Stream<String> stream2 = optional2.stream(); stream2.forEach(str -> System.out.println("Example 4.3 - Value2: " + str)); } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 4.3 - Value: Hello

(4.4) orElseThrow() (Java 10)：

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orElseThrow() 提供了預設的 NoSuchElementException，簡化了 orElseThrow(NoSuchElementException::new) 這種寫法。

public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example4_4(); } // (4.4) orElseThrow() (Java 10) public static void example4_4() { Optional<String> optional = Optional.of("Hello"); String value = optional.orElseThrow(); System.out.println("Example 4.4 - Value: " + value); Optional<String> optional2 = Optional.empty(); try { optional2.orElseThrow(); } catch (NoSuchElementException e) { System.out.println("Example 4.4 - Exception: " + e.getMessage()); } } }

輸出結果：

[Running] cd "d:\Ethan\workspace\lab\example\text\java-newfeatures\src\" && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\javac -encoding utf-8 Optional17.java && D:\jdk\zulu17.54.21-ca-jdk17.0.13-win_x64\bin\java Optional17 Example 4.4 - Value: Hello Example 4.4 - Exception: No value present

五、Java 11 到 Java 17 的 Optional 變化

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從 Java 11 到 17， Optional 本身的功能沒有重大的 API 變化，重點是 Java 的其他特性 (例如，流式 API 的改進) 使得 Optional 的使用場景更加豐富。雖然 Optional 本身的方法沒有新增，但由於 Java 語言的整體發展， Optional 與其他 API 的整合度更高，使用場景也更多元。

以下是一些 Optional 在 Java 11 到 17 的主要應用場景變化：

1. 與 Stream API 的更緊密整合：

   • Java 9 引入了 Optional.stream() 方法，可以将 Optional 对象转换为 Stream 对象。這使得 Optional 可以更方便地與 Stream API 配合使用。
   • 在 Java 11 之後，可以利用 Stream API 的各種操作 (例如 filter 、 map 、 flatMap 等) 來處理 Optional 轉換後的 Stream，以便更高效地處理集合資料中可能為空的 Optional 值。
   import java.util.List; import java.util.Optional; import java.util.stream.Collectors; public class Optional17 { public static void main(String[] args) { example5_1(); } public static void example5_1() { List<Optional<String>> optionalList = List.of( Optional.of("Apple"), Optional.empty(), Optional.of("Banana"), Optional.empty(), Optional.of("Cherry") ); // 使用 Stream API 過濾掉空的 Optional，並取出值 List<String> result = optionalList.stream() .filter(Optional::isPresent) // 過濾掉空的 Optional .map(Optional::get) // 取出 Optional 中的值 .collect(Collectors.toList()); // 將結果收集為 List System.out.println("Example 5.1 - Result:" + result); // Output: [Apple, Banana, Cherry] // 使用 flatMap 取得 Optional 的值 List<String> result2 = optionalList.stream() .flatMap(Optional::stream) .collect(Collectors.toList()); System.out.println("Example 5.1 - Result2:" + result2); // Output: [Apple, Banana, Cherry] } }

   輸出結果：

   Example 5.1 - Result:[Apple, Banana, Cherry] Example 5.1 - Result2:[Apple, Banana, Cherry]

2. 配合 Lambda 表達式使用：

   • Optional 本身設計就鼓勵使用 Lambda 表達式 (例如， map 、 ifPresent 、 orElseGet 等方法)，可以更簡潔地處理空值情況。
   • 在 Java 11 及以後，Lambda 表達式的運用更加廣泛，使得 Optional 的使用更加自然。

3. 更好的程式碼可讀性：

   • 由於 Optional 在程式碼中出現的頻率越來越高，開發者也越來越熟悉 Optional 的用法。
   • 這使得使用 Optional 的程式碼在閱讀上更加容易理解，更能清楚表達值的存在與否。

雖然 Optional 在 Java 11 到 17 本身的功能變化不大，但它與其他新特性，如 Stream API 的整合使用，讓開發者可以更有效率、更安全地處理空值問題，進一步提升了程式碼的品質與可讀性。

六、總結

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Optional 的引入是 Java 語言在處理空值問題上的一次重大改進。它提供了一種更安全、更具表達力的方式來處理可能為空的值，迫使開發者在編碼時主動思考空值情況，從而減少了 NullPointerException 的發生。

從 Java 8 到 Java 17，Optional 的基本概念沒有發生變化，但隨著 Java 版本的迭代，Optional 的 API 得到了一些增強，與其他新特性 (如 Stream API) 的結合也更加緊密。這些改進使得開發者能夠更靈活、更高效地使用 Optional。

正確使用 Optional 可以顯著提高程式碼的健壯性和可讀性。開發者應當遵循 Optional 的設計理念，儘可能避免直接使用 get() 方法，而是使用 orElse、orElseGet、orElseThrow、ifPresent 和 map 等方法，以確保在處理空值時不會發生意料之外的錯誤。

總而言之，Optional 是現代 Java 開發中不可或缺的一部分，理解其設計思想和正確使用方式是每個 Java 開發者都應該掌握的技能。