類型 Option · Scala初學指南

前幾章，我們討論了許多相當先進的技術，尤其是模式匹配和提取器。是時候來看一看 Scala 另一個基本特性了： Option 類型。可能你已經見過它在 `Map` API 中的使用；在實現自己的提取器時，我們也用過它，然而，它還需要更多的解釋。你可能會想知道它到底解決什么問題，為什么用它來處理缺失值要比其他方法好，而且可能你還不知道該怎么在你的代碼中使用它。這一章的目的就是消除這些問號，并教授你作為一個新手所應該了解的 `Option` 知識。 ### 基本概念 Java 開發者一般都知道 `NullPointerException`（其他語言也有類似的東西），通常這是由于某個方法返回了 `null` ，但這并不是開發者所希望發生的，代碼也不好去處理這種異常。值 `null` 通常被濫用來表征一個可能會缺失的值。不過，某些語言以一種特殊的方法對待 `null` 值，或者允許你安全的使用可能是 `null` 的值。比如說，Groovy 有 _安全運算符(Safe Navigation Operator)_ 用于訪問屬性，這樣 `foo?.bar?.baz` 不會在 `foo` 或 `bar` 是 `null` 時而引發異常，而是直接返回 `null`，然而，Groovy 中沒有什么機制來強制你使用此運算符，所以如果你忘記使用它，那就完蛋了！ Clojure 對待 `nil` 基本上就像對待空字符串一樣。也可以把它當作列表或者映射表一樣去訪問，這意味著， `nil` 在調用層級中向上冒泡。很多時候這樣是可行的，但有時會導致異常出現在更高的調用層級中，而那里的代碼沒有對 `nil` 加以考慮。 Scala 試圖通過擺脫 `null` 來解決這個問題，并提供自己的類型用來表示一個值是可選的（有值或無值），這就是 `Option[A]` 特質。 `Option[A]` 是一個類型為 `A` 的可選值的容器：如果值存在， `Option[A]` 就是一個 `Some[A]` ，如果不存在， `Option[A]` 就是對象 `None` 。在類型層面上指出一個值是否存在，使用你的代碼的開發者（也包括你自己）就會被編譯器強制去處理這種可能性，而不能依賴值存在的偶然性。 `Option` 是強制的！不要使用 `null` 來表示一個值是缺失的。 ### 創建 Option 通常，你可以直接實例化 `Some` 樣例類來創建一個 Option 。 ~~~ val greeting: Option[String] = Some("Hello world") ~~~ 或者，在知道值缺失的情況下，直接使用 `None` 對象： ~~~ val greeting: Option[String] = None ~~~ 然而，在實際工作中，你不可避免的要去操作一些 Java 庫，或者是其他將 `null` 作為缺失值的JVM 語言的代碼。為此， `Option` 伴生對象提供了一個工廠方法，可以根據給定的參數創建相應的 `Option` ： ~~~ val absentGreeting: Option[String] = Option(null) // absentGreeting will be None val presentGreeting: Option[String] = Option("Hello!") // presentGreeting will be Some("Hello!") ~~~ ### 使用 Option 目前為止，所有的這些都很簡潔，不過該怎么使用 Option 呢？是時候開始舉些無聊的例子了。想象一下，你正在為某個創業公司工作，要做的第一件事情就是實現一個用戶的存儲庫，要求能夠通過唯一的用戶 ID 來查找他們。有時候請求會帶來假的 ID，這種情況，查找方法就需要返回 `Option[User]` 類型的數據。一個假想的實現可能是： ~~~ case class User( id: Int, firstName: String, lastName: String, age: Int, gender: Option[String] ) object UserRepository { private val users = Map(1 -> User(1, "John", "Doe", 32, Some("male")), 2 -> User(2, "Johanna", "Doe", 30, None)) def findById(id: Int): Option[User] = users.get(id) def findAll = users.values } ~~~ 現在，假設從 `UserRepository` 接收到一個 `Option[User]` 實例，并需要拿它做點什么，該怎么辦呢？一個辦法就是通過 `isDefined` 方法來檢查它是否有值。如果有，你就可以用 `get` 方法來獲取該值： ~~~ val user1 = UserRepository.findById(1) if (user1.isDefined) { println(user1.get.firstName) } // will print "John" ~~~ 這和 [Guava 庫](https://code.google.com/p/guava-libraries) 中的 `Optional` 使用方法類似。不過這種使用方式太過笨重，更重要的是，使用 `get` 之前，你可能會忘記用 `isDefined` 做檢查，這會導致運行期出現異常。這樣一來，相對于 `null` ，使用 `Option` 并沒有什么優勢。你應該盡可能遠離這種訪問方式！ ### 提供一個默認值很多時候，在值不存在時，需要進行回退，或者提供一個默認值。Scala 為 `Option` 提供了 `getOrElse` 方法，以應對這種情況： ~~~ val user = User(2, "Johanna", "Doe", 30, None) println("Gender: " + user.gender.getOrElse("not specified")) // will print "not specified" ~~~ 請注意，作為 `getOrElse` 參數的默認值是一個 _傳名參數_ ，這意味著，只有當這個 `Option` 確實是 `None` 時，傳名參數才會被求值。因此，沒必要擔心創建默認值的代價，它只有在需要時才會發生。 ### 模式匹配 `Some` 是一個樣例類，可以出現在模式匹配表達式或者其他允許模式出現的地方。上面的例子可以用模式匹配來重寫： ~~~ val user = User(2, "Johanna", "Doe", 30, None) user.gender match { case Some(gender) => println("Gender: " + gender) case None => println("Gender: not specified") } ~~~ 或者，你想刪除重復的 `println` 語句，并重點突出模式匹配表達式的使用： ~~~ val user = User(2, "Johanna", "Doe", 30, None) val gender = user.gender match { case Some(gender) => gender case None => "not specified" } println("Gender: " + gender) ~~~ 你可能已經發現用模式匹配處理 `Option` 實例是非常啰嗦的，這也是它非慣用法的原因。所以，即使你很喜歡模式匹配，也盡量用其他方法吧。不過在 Option 上使用模式確實是有一個相當優雅的方式，在下面的 for 語句一節中，你就會學到。 ### 作為集合的 Option 到目前為止，你還沒有看見過優雅使用 Option 的方式吧。下面這個就是了。前文我提到過， `Option` 是類型 `A` 的容器，更確切地說，你可以把它看作是某種集合，這個特殊的集合要么只包含一個元素，要么就什么元素都沒有。雖然在類型層次上， `Option` 并不是 Scala 的集合類型，但，凡是你覺得 Scala 集合好用的方法， `Option` 也有，你甚至可以將其轉換成一個集合，比如說 `List` 。那么這又能讓你做什么呢？ #### 執行一個副作用如果想在 Option 值存在的時候執行某個副作用，`foreach` 方法就派上用場了： ~~~ UserRepository.findById(2).foreach(user => println(user.firstName)) // prints "Johanna" ~~~ 如果這個 Option 是一個 `Some` ，傳遞給 `foreach` 的函數就會被調用一次，且只有一次；如果是 `None` ，那它就不會被調用。 #### 執行映射 `Option` 表現的像集合，最棒的一點是，你可以用它來進行函數式編程，就像處理列表、集合那樣。正如你可以將 `List[A]` 映射到 `List[B]` 一樣，你也可以映射 `Option[A]` 到 `Option[B]`：如果 `Option[A]` 實例是 `Some[A]` 類型，那映射結果就是 `Some[B]` 類型；否則，就是 `None` 。如果將 `Option` 和 `List` 做對比，那 `None` 就相當于一個空列表：當你映射一個空的 `List[A]` ，會得到一個空的 `List[B]` ，而映射一個是 `None` 的 `Option[A]` 時，得到的 `Option[B]` 也是 `None` 。讓我們得到一個可能不存在的用戶的年齡： ~~~ val age = UserRepository.findById(1).map(_.age) // age is Some(32) ~~~ #### Option 與 flatMap 也可以在 `gender` 上做 `map` 操作： ~~~ val gender = UserRepository.findById(1).map(_.gender) // gender is an Option[Option[String]] ~~~ 所生成的 `gender` 類型是 `Option[Option[String]]` 。這是為什么呢？這樣想：你有一個裝有 `User` 的 `Option` 容器，在容器里面，你將 `User` 映射到 `Option[String]`（ `User` 類上的屬性 `gender` 是 `Option[String]` 類型的）。得到的必然是嵌套的 Option。既然可以 `flatMap` 一個 `List[List[A]]` 到 `List[B]` ，也可以 `flatMap` 一個 `Option[Option[A]]` 到 `Option[B]` ，這沒有任何問題：Option 提供了 `flatMap` 方法。 ~~~ val gender1 = UserRepository.findById(1).flatMap(_.gender) // gender is Some("male") val gender2 = UserRepository.findById(2).flatMap(_.gender) // gender is None val gender3 = UserRepository.findById(3).flatMap(_.gender) // gender is None ~~~ 現在結果就變成了 `Option[String]` 類型，如果 `user` 和 `gender` 都有值，那結果就會是 `Some` 類型，反之，就得到一個 `None` 。要理解這是什么原理，讓我們看看當 `flatMap` 一個 `List[List[A]` 時，會發生什么？（要記得， Option 就像一個集合，比如列表） ~~~ val names: List[List[String]] = List(List("John", "Johanna", "Daniel"), List(), List("Doe", "Westheide")) names.map(_.map(_.toUpperCase)) // results in List(List("JOHN", "JOHANNA", "DANIEL"), List(), List("DOE", "WESTHEIDE")) names.flatMap(_.map(_.toUpperCase)) // results in List("JOHN", "JOHANNA", "DANIEL", "DOE", "WESTHEIDE") ~~~ 如果我們使用 `flatMap` ，內部列表中的所有元素會被轉換成一個扁平的字符串列表。顯然，如果內部列表是空的，則不會有任何東西留下。現在回到 `Option` 類型，如果映射一個由 `Option` 組成的列表呢？ ~~~ val names: List[Option[String]] = List(Some("Johanna"), None, Some("Daniel")) names.map(_.map(_.toUpperCase)) // List(Some("JOHANNA"), None, Some("DANIEL")) names.flatMap(xs => xs.map(_.toUpperCase)) // List("JOHANNA", "DANIEL") ~~~ 如果只是 `map` ，那結果類型還是 `List[Option[String]]` 。而使用 `flatMap` 時，內部集合的元素就會被放到一個扁平的列表里：任何一個 `Some[String]` 里的元素都會被解包，放入結果集中；而原列表中的 `None` 值由于不包含任何元素，就直接被過濾出去了。記住這一點，然后再去看看 `faltMap` 在 `Option` 身上做了什么。 #### 過濾 Option 也可以像過濾列表那樣過濾 Option：如果選項包含有值，而且傳遞給 `filter` 的謂詞函數返回真， `filter` 會返回 `Some` 實例。否則（即選項沒有值，或者謂詞函數返回假值），返回值為 `None` 。 ~~~ UserRepository.findById(1).filter(_.age > 30) // None, because age is <= 30 UserRepository.findById(2).filter(_.age > 30) // Some(user), because age is > 30 UserRepository.findById(3).filter(_.age > 30) // None, because user is already None ~~~ ### for 語句現在，你已經知道 Option 可以被當作集合來看待，并且有 `map` 、 `flatMap` 、 `filter` 這樣的方法。可能你也在想 Option 是否能夠用在 for 語句中，答案是肯定的。而且，用 for 語句來處理 Option 是可讀性最好的方式，尤其是當你有多個 `map` 、`flatMap` 、`filter` 調用的時候。如果只是一個簡單的 `map` 調用，那 for 語句可能有點繁瑣。假如我們想得到一個用戶的性別，可以這樣使用 for 語句： ~~~ for { user <- UserRepository.findById(1) gender <- user.gender } yield gender // results in Some("male") ~~~ 可能你已經知道，這樣的 for 語句等同于嵌套的 `flatMap` 調用。如果 `UserRepository.findById` 返回 `None`，或者 `gender` 是 `None` ，那這個 for 語句的結果就是 `None` 。不過這個例子里， `gender` 含有值，所以返回結果是 `Some` 類型的。如果我們想返回所有用戶的性別（當然，如果用戶設置了性別），可以遍歷用戶，yield 其性別： ~~~ for { user <- UserRepository.findAll gender <- user.gender } yield gender // result in List("male") ~~~ #### 在生成器左側使用也許你還記得，前一章曾經提到過， for 語句中生成器的左側也是一個模式。這意味著也可以在 for 語句中使用包含選項的模式。重寫之前的例子： ~~~ for { User(_, _, _, _, Some(gender)) <- UserRepository.findAll } yield gender ~~~ 在生成器左側使用 `Some` 模式就可以在結果集中排除掉值為 `None` 的元素。 ### 鏈接 Option Option 還可以被鏈接使用，這有點像偏函數的鏈接：在 Option 實例上調用 `orElse` 方法，并將另一個 Option 實例作為傳名參數傳遞給它。如果一個 Option 是 `None` ， `orElse` 方法會返回傳名參數的值，否則，就直接返回這個 Option。一個很好的使用案例是資源查找：對多個不同的地方按優先級進行搜索。下面的例子中，我們首先搜索 _config_ 文件夾，并調用 `orElse` 方法，以傳遞備用目錄： ~~~ case class Resource(content: String) val resourceFromConfigDir: Option[Resource] = None val resourceFromClasspath: Option[Resource] = Some(Resource("I was found on the classpath")) val resource = resourceFromConfigDir orElse resourceFromClasspath ~~~ 如果想鏈接多個選項，而不僅僅是兩個，使用 `orElse` 會非常合適。不過，如果只是想在值缺失的情況下提供一個默認值，那還是使用 `getOrElse` 吧。 ### 總結在這一章里，你學到了有關 Option 的所有知識，這有利于你理解別人的代碼，也有利于你寫出更可讀，更函數式的代碼。這一章最重要的一點是：列表、集合、映射、Option，以及之后你會見到的其他數據類型，它們都有一個非常統一的使用方式，這種使用方式既強大又優雅。下一章，你將學習 Scala 錯誤處理的慣用法。