並非 Null Object 這麼簡單

張_逸發表於2017-05-10
NullObject

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在大多數程式語言中，我們都需要與Null打交道，並且糾纏於對它的檢查中。一不小心讓它給溜出來，就可能像開啟潘多拉的盒子一般，給程式世界帶來災難。說起來，在我們人類世界中，Null到底算什麼“東西”呢？語義上講，它就是一場空，即所謂“虛無”。這個世界並沒有任何物質可以代表“虛無”，因而它僅存於我們的精神層面。說虛無存在其實是一種悖論，因為存在其實是虛無的反面。若從程式本質上講，Null代表一種狀態，指一個物件（或變數），雖獲宣告卻未真正誕生，甚至可能永遠不會誕生。而一旦誕生，Null就被抹去了，迴歸了正確的狀態。

站在OO的角度來講，既然Everything is object，自然可以將Null同樣視為Object——這近似於前面提到的悖論，既然是Null，為何又是Object呢？換言之，在物件世界裡，其實沒有什麼不存在，所謂“不存在”仍然是一種“存在”。這麼說容易讓人變糊塗，就好像我們搞不清楚“我是誰”。所以，我寧肯採用Martin Fowler的說法，將Null Object視為一種Special Case，即Null其實是一種特例。

視Null為一種特例，即可用OO的特化來表達。當某個物件可能存在Null這種狀態時，都可以將這種狀態表示為一種特化的類，它不再代表Null，而是代表“什麼都不做”。凡是返回Null的地方，都替換為這個Null Object，用以表達這種Null其實僅僅是一種特列。於是乎，我們像抹殺異教徒一般抹去了“虛無”的存在。（當虛無被抹去，是什麼樣的存在？）

然而，若在程式語言中實現自己的Null Object，固然可以在一定程度上消除對Null的檢查，卻存在一些約束：

  • 對於String之類的型別，無法定義NullString子類；
  • 每次都需要自己去定義子類來表示Null；
  • 必須約束團隊不能返回Null；

Google的Guava框架為了解決這一問題，引入了Optional：

public abstract class Optional<T> implements Serializable {
  public static <T> Optional<T> absent() {
    return (Optional<T>) Absent.INSTANCE;
  }
  public static <T> Optional<T> of(T reference) {
    return new Present<T>(checkNotNull(reference));
  }
  public static <T> Optional<T> fromNullable(@Nullable T nullableReference) {
    return (nullableReference == null)
        ? Optional.<T>absent()
        : new Present<T>(nullableReference);
  }
  public abstract boolean isPresent();
  public abstract T get();
  public abstract T or(T defaultValue);
  public abstract <V> Optional<V> transform(Function<? super T, V> function);
}複製程式碼

於是，我們可以這樣來使用Optional:

  public final Optional<E> first() {
    Iterator<E> iterator = iterable.iterator();
    return iterator.hasNext()
        ? Optional.of(iterator.next())
        : Optional.<E>absent();
  }複製程式碼

first()方法返回的是一個Optional型別。這是Guava中操作集合的一個方法。當我們要獲得第一個元素時，可以呼叫該方法：

List<Person> persons = newArrayList();
String name = from(persons).first().transform(new Function<Person, String>() {
        @Override
        public String apply(Person input) {
            return input.getName();
        }
    }).or("not found");
assertThat(name, is("not found"));複製程式碼

不知是巧合，還是一種借鑑，Java 8同樣定義了Optional用以處理這種情況。前面的程式碼在Java 8下可以改寫為：

List<Person> persons = newArrayList();
String name = persons.stream().findFirst().map(p -> p.getName()).orElse("not found");
assertThat(name, is("not found"));複製程式碼

其實在Scala的早期版本，已經提供了Option[T]型別。前面的程式碼若用scala編寫，就變成：

case class Person(name: String, age: Int)
val persons = List[Person]()
persons.headOption.map(p => p.name).getOrElse("not found")複製程式碼

這樣的設計方式，還是Null Object模式嗎？讓我們回到Null的本原狀態，思考為什麼會產生Null？首先，Null代表一種異常狀態，即在某種未可知的情形下，可能返回Null；正常情況下，返回的則是非Null的物件。Null與非Null，代表一種未知與不確定性。哈姆雷特糾結於“To be, or not to be, this is a question”，但在程式世界裡，可以抽象為一個集合來表達這種非此即彼的狀況。

從函數語言程式設計的角度來講，我們可以將這樣的集合設計為一個Monad。根據DSL in Action一書中對Monad的介紹，一個Monad由以下三部分定義：

一個抽象M[A],其中M是型別建構函式。在Scala語言中可以寫成class M[A]，或者case class M[A]，有或者trait M[A]
一個unit方法（unit v)。對應Scala中的函式new M(v)或者M(v)的呼叫。
一個bind方法，起到將運算排成序列的作用。在Scala中通過flatMap組合子來實現。bind f m對應的Scala語句是m flatMap f。

同時，Monad還必須滿足以下三條規則：

右單位元(identity)。即對於任意Monad m，有m flatMap unit => m。對於Option，unit就是Option伴生物件定義的apply()方法。若m為Some("Scala")，則m flatMap {x => Option(x)}，其結果還是m。
左單位元(unit)。即對於任意Monad m，有unit(v) flatMap f => f(v)。

假設我們定義一個函式f：

def f(v: String) = Option(v)複製程式碼

則Option("Scala") flatMap {x => f(x)}的結果就等於f("scala")。

結合律。即對於任意Monad m，有m flatMap g flatMap h => m flatMap {x => g(x) flatMap h}。

無論是Scala中的Option[A]，還是Java 8中的Optional[T]，都是一個Monad。此時的Null不再是特例，而是抽象Option[A]對稱的兩個元素中的其中一個，在Scala中，即Option[T]中的Some[T]或None。它們倆面貌相同，卻是一對性格迥異的雙生子。

在設計為Monad後，就可以利用Monad提供的bind功能，完成多個函式的組合。組合時，並不需要考慮返回為None的情況。Monad能保證在前一個函式返回空值時，後續函式不會被呼叫。讓我們來看一個案例。例如，我們需要根據某個key從會話中獲得對應的值，然後再將該值作為引數去查詢符合條件的特定Customer。在Scala中，可以將這兩個步驟定義為函式，返回結果分別為Option[String]與Option[Customer]：

def params(key: String): Option[String]
def queryCustomer(refId: String): Option[Customer]
val customer = 
    (
        for {
            r <- params("customerId")
            c <- queryCustomer(r)
        } yield c
    ) getOrElse error("Not Found")複製程式碼

這段程式碼用到了Scala的for comprehension，它實則是對flatMap的一種包裝。尤其當巢狀多個flatMap時，使用for comprehension會更加直觀可讀。翻譯為flatMap，則為：

params("customerId").flatMap {
    r => queryCustomer(r).map {
        c => c
    }
} getOrElse error("Not Found")複製程式碼

當我最初看到Guava設計的Optional[T]時，我以為是Null Object模式的體現。顯然，它的功能要超出Null Object的範疇。但它也並非Monad，在前面給出的定義中，我們可以看到Guava的Optional[T]僅提供了map（即定義中的transform)功能，而沒有提供更基本的flatMap操作。具有函數語言程式設計功能的Scala與Java 8加強了這一功能，利用Monad強化了程式對Null的處理。

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