阿里华为等大厂架构师如何解决空指针问题

0 前言

null，表示无引用指向或没有指针，若操作该变量会引发空指针异常，即NullPointerException，NPE。

当线上发生该异常，说明代码健壮性不足，如何才能避免NPE？NPE虽烦，但易定位，关键在null到底意味啥：

client给server一个null，是其本意就想给个空值，还是根本没提供值？
DB字段的NULL值，是否有特殊含义？写SQL需要注意啥？

1 NPE事发场景

参数是Integer等包装类，自动拆箱时
字符串比较
如ConcurrentHashMap不支持K/V为null的容器
A对象含B对象，通过A对象的字段获得B对象后，没判空B就调用B的方法
方法或其它服务返回的List不是空而是null，没有判空就直接调用List的方法

入参test：由0、1构成，长度为4的字符串，第几位为1就代表第几个参数为null，以此控制wrongMethod方法的4个入参，模拟各种NPE：

private List<String> bad(MyService myService, Integer i, String s, String t) {
    log.info("result {} {} {} {}",
            i + 1,
            "OK".equals(s),
            s.equals(t),
            new ConcurrentHashMap<String, String>().put(null, null));
    
    if ("OK".equals(myService.getBarService().bar())) {
        log.info("OK");
    }
    return null;
}

@GetMapping("wrong")
public int wrong(@RequestParam(value = "test", defaultValue = "1111") String test) {
    return wrongMethod(test.charAt(0) == '1' ? null : new FooService(),
            test.charAt(1) == '1' ? null : 1,
            test.charAt(2) == '1' ? null : "OK",
            test.charAt(3) == '1' ? null : "OK").size();
}

class FooService {
    @Getter
    private BarService barService;

}

class BarService {
    String bar() {
        return "OK";
    }
}

bad一行日志记录模拟了4种NPE：

对入参Integer i进行+1
对入参String s进行比较，判断内容是否为"OK"
对入参String s、t进行比较，判断是否相等
对new出的ConcurrentHashMap进行put，Key和Value都设为null

输出：

    private List<String> bad(MyService myService, Integer i, String s, String t) {
        log.info("result {} {} {} {}",
                i + 1,
                "OK".equals(s),
                s.equals(t),
                new ConcurrentHashMap<String, String>().put(null, null));

确实提示该行NPE：

 Servlet.service() for servlet [dispatcherServlet] in context with path [] threw exception [Request processing failed; nested exception is java.lang.NullPointerException] with root cause
java.lang.NullPointerException: null
    at com.javaedge.nullvalue.npe.NpeController.bad(NpeController.java:42)
    at com.javaedge.nullvalue.npe.NpeController.bad(NpeController.java:24)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    ...

但无法再精确定位到底因何NPE，有很多可能：

入参Integer拆箱为int时
入参的两个字符串任意一个为null
null加入ConcurrentHashMap

就这？我打断点看下入参不就行？

但实际项目，NPE通常极端案例下才出现，自测都难复现。排查生产NPE，打断点不现实，可能有人会：

拆分代码，详细看清每个 npe 产生过程
加日志

但对生产，都很麻烦。

咋快速知道入参，精确定位NPE谁引起？

2 修复NPE

最简单的先判空后操作，但只能让异常不再出现，还是要找到NPE源头：

入参：进一步分析入参合理性
bug：NPE不一定单纯程序bug，可能还涉及业务属性和接口调用规范

Demo只考虑判空修复。若先判空后处理，你肯定if/else。这既增加代码量又降低易读性，请用Java8 Optional类消除此类if/else，一行代码判空处理。

Integer判空

使用Optional.ofNullable构造Optional：

public static <T> Optional<T> ofNullable(T value) {
    return value == null ? empty() : of(value);
}

public static<T> Optional<T> empty() {
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Optional<T> t = (Optional<T>) EMPTY;
    return t;
}

public static <T> Optional<T> of(T value) {
    return new Optional<>(value);
}

再用 orElse() 把null替换为默认值：

public T orElse(T other) {
    return value != null ? value : other;
}

3 String V.S 字面量

字面量放前，如：

"200".equals(s)

即使s null也不会NPE。

对俩都可能null的String equals，可用 Objects.equals 判空：

public static boolean equals(Object a, Object b) {
    return (a == b) || (a != null && a.equals(b));
}

4 不支持 null 的容器

ConcurrentHashMap K/V都禁止null，那就别存！

5 级联调用

如：

myService.getFooService().foo().equals("OK")

需判空：

myService
getFooService()的返回值
foo()返回的字符串

对good()返回的List，由于不能确认其是否为null，所以在调用size方法前，可：

Optional.ofNullable包装返回值
.orElse(Collections.emptyList()) 实现在List==null时获得空List
最后 size()

return Optional
        .ofNullable(good(test.charAt(0) == '1' ? null : new MyService(),
                test.charAt(1) == '1' ? null : 1,
                test.charAt(2) == '1' ? null : "Java!",
                test.charAt(3) == '1' ? null : "Java!"))
        .orElse(Collections.emptyList()).size();

就不会NPE。

但若修改4个入参都不为null，最后日志中也无OK。

why？BarService的bar方法不是返回了OK吗？

FooService中的barService字段为null。

使用判空或Optional避免NPE，不一定是最佳方案，空指针没出现可能隐藏了更深Bug。因此，解决NPE，还要真正具体案例具体分析，处理时也并不只是判断非空然后进行正常业务流程，还要考虑为空的时候是应该抛异常、设默认值还是记录日志。

6 POJO字段null歧义

相比判空避免空指针异常，更易错的是null定位。对于程序，null就是指针无任何指向，而结合业务逻辑情况复杂得多，需考虑：

DTO字段null啥意义？是客户端没传给这个字段？
为避免NPE，DTO的字段要设默认值吗？
若DB实体中的字段有null，通过数据访问框架保存数据是否会覆盖DB中的既有数据？

6.1 案例

同时扮演DTO和数据库Entity：

@Data
@Entity
public class User {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = IDENTITY)
    private Long id;
    private String name;
    private String nickname;
    private Integer age;
    private Date createDate = new Date();
}

Post接口更新用户数据，再直接把客户端在RequestBody中使用JSON传过来的User对象，通过JPA更新到数据库，最后返回保存到数据库的数据：

public User updateNickname(@RequestBody User user) {
    user.setNickname(String.format("guest%s", user.getName()));
    return userRepository.save(user);
}

@Repository
public interface UserRepository extends JpaRepository<User, Long> {
}

先在DB初始化用户【age=36、name=JavaEdge、create_date=2020年1月4日、nickname NULL】：

id	age	create_date	name	nickname
1	36	2020-01-04 09:58:11.000000	JavaEdge	(NULL)

再cURL测试该接口，传入一个id=1、name=null的JSON字符串，期望把ID为1的用户姓名设置为空，接口返回的结果和数据库中记录一致：

id	age	create_date	name	nickname
1	(NULL)	2020-01-05 02:01:03.784000	(NULL)	guestnull

问题：

调用方只希望重置用户名，但age也被置null
nickname是用户类型加姓名，若name重置为null，访客用户的昵称应是guest，而非guestnull
用户的创建时间原来是1月4日，更新了用户信息后变为了1月5日

6.2 DTO字段null的含义

JSON到DTO的反序列化，null描述歧义：客户端不传某属性或传null，该属性在DTO中都是null。这带来歧义，对于更新请求：

不传，说明客户端不想更新该属性，应维持DB原值
传null，说明客户端想重置该属性

因为Java的null就是没有数据，无法区分这两种case，所以本例中的age属性也被置null，可用Optional解决该问题。

6.3 POJO中的字段有默认值

如果客户端不传值，就会赋值为默认值，导致创建时间也被更新到 DB。

6.4 字符串格式化时可能将null值格式化为"null"字符串

如昵称设置，只进行简单的字符串格式化，存入数据库变为guestnull。显然不合理，还需判断。

6.5 DTO和Entity共用POJO

对昵称的设置是程序控制，不应把它们暴露在DTO，否则易把客户端随意设置的值更新到DB。

创建时间最好让DB置当前时间，不用程序控制，可在字段置columnDefinition（可选，生成列的DDL时使用的SQL片段。默认为生成的SQL以创建推断类型的列）实现。

6.6 数据库字段允许保存null

进一步增加出错可能性和复杂度。若数据真正落地时也支持NULL，可能就有NULL、空字符串和字符串null三态。但若所有属性都有默认值，则简单点。

至此，对DTO和Entity进行拆分修正：

createDate默认值CURRENT_TIMESTAMP，由DB生成创建时间。
使用Hibernate的 @DynamicUpdate 实现更新SQL的动态生成，实现只更新修改后的字段，不过要先查询一次实体，让Hibernate可“跟踪”实体属性的当前状态，以确保有效。

@Data
public class UserDTO {
    private Long id;

    /**
     * 以区分用户不传数据 or 故意传null
     */
    private Optional<String> name;

    /**
     * 以区分用户不传数据 or 故意传null
     */
    private Optional<Integer> age;
}

@Data
@Entity
@DynamicUpdate
public class UserEntity {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = IDENTITY)
    private Long id;

    @Column(nullable = false)
    private String name;

    @Column(nullable = false)
    private String nickname;

    @Column(nullable = false)
    private Integer age;
    
    @Column(nullable = false, columnDefinition = "TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP")
    private Date createDate;
}

定义接口，以便对更新操作进行更精细化的处理。参数校验：

对传入UserDTO和ID属性先判空，若为空，抛IllegalArgumentException
根据id从DB查询出实体后判空，若为空，抛IllegalArgumentException

由于DTO已用Optional区分客户端不传值和传null值，则业务逻辑实现就可按客户端意图来分别实现：

若不传值，则Optional本身为null，直接跳过Entity字段的更新，动态生成的SQL也不包含该列
若传了值，进一步判断传的是不是null

下面，根据分别对姓名、年龄和昵称更新：

姓名，我们认为客户端传null是希望把姓名重置为空，允许这样的操作，使用Optional.orElse一键把空转换为空字符串
年龄，我们认为如果客户端希望更新年龄，须传一个有效年龄，年龄不存在重置操作，可用Optional.orElseThrow在值为空时抛IllegalArgumentException
昵称，因数据库中姓名不可能为null，可安心将昵称置guest加上数据库取出来的姓名

@PostMapping("right")
public UserEntity right(@RequestBody UserDto user) {
    if (user == null || user.getId() == null)
        throw new IllegalArgumentException("用户Id不能为空");

    UserEntity userEntity = userEntityRepository.findById(user.getId())
            .orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("用户不存在"));

    if (user.getName() != null) {
        userEntity.setName(user.getName().orElse(""));
    }
    userEntity.setNickname("guest" + userEntity.getName());
    if (user.getAge() != null) {
        userEntity.setAge(user.getAge().orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("年龄不能为空")));
    }
    return userEntityRepository.save(userEntity);
}

若DB已有记录【id=1、age=36、create_date=2020年1月4日、name=java、nickname=guestjava】：

使用相同的参数调用right接口，看是否解决问题。传入id=1、name=null的JSON字符串，期望把id为1的用户姓名置空：

curl -H "Content-Type:application/json" -X POST -d '{ "id":1, "name":null}' http://localhost:45678/pojonull/right

{"id":1,"name":"","nickname":"guest","age":36,"createDate":"2020-01-04T11:09:20.000+0000"}%

新接口即可完美实现仅重置name属性的操作，昵称也不再有null字符串，年龄和创建时间字段没被修改。

Hibernate生成的SQL语句只更新了name和nickname两个字段：

Hibernate: update user_entity set name=?, nickname=? where id=?

为测试使用Optional是否可以有效区分JSON中没传属性还是传了null，在JSON中设个null的age，结果是正确得到了年龄不能为空的错误提示：

curl -H "Content-Type:application/json" -X POST -d '{ "id":1, "age":null}' http://localhost:45678/pojonull/right

{"timestamp":"2020-01-05T03:14:40.324+0000","status":500,"error":"Internal Server Error","message":"年龄不能为空","path":"/pojonull/right"}%

7 MySQL的NULL大坑

数据库表字段允许存NULL，除了让我们困惑，还易有大坑。

7.1 环境

实体：

@Data
@Entity
public class User {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = IDENTITY)
    private Long id;
    private Long score;

程序启动时，往实体初始化一条数据，id是自增列自动设置的1，score是NULL：

@Autowired
private UserRepository userRepository;

@PostConstruct
public void init() {
    userRepository.save(new User());
}

测试如下用例，看结合数据库中的null值可能会出现的坑：

sum统计一个只有NULL值的列的总和
select记录数量，count用一个允许NULL的字段，如COUNT(score)
使用=NULL条件查询字段值为NULL的记录，如score=null条件

@Repository
public interface UserRepository extends JpaRepository<User, Long> {
    @Query(nativeQuery=true,value = "SELECT SUM(score) FROM `user`")
    Long wrong1();
  
    @Query(nativeQuery = true, value = "SELECT COUNT(score) FROM `user`")
    Long wrong2();
  
    @Query(nativeQuery = true, value = "SELECT * FROM `user` WHERE score=null")
    List<User> wrong3();
}

得到：null、0和空List。显然三条SQL语句的执行结果不符期望：

虽记录的score都是NULL，但sum结果应是0
虽这条记录的score是NULL，但记录总数应是1
使用=NULL并没有查询到id=1的记录，查询条件失效

7.2 原因

MySQL中sum函数没统计到任何记录时，会返回null而非0，可用IFNULL函数把null转换为0
MySQL中count(字段)不统计null值，COUNT(*)才是统计所有记录数量的正确方式
MySQL中诸如=、<、>这样的算数比较操作符和NULL比较的结果总是NULL，就显得无任何比较意义了，需用IS NULL、IS NOT NULL或 ISNULL()比较

7.3 修正SQL

@Query(nativeQuery = true, value = "SELECT IFNULL(SUM(score),0) FROM `user`")
Long right1();

@Query(nativeQuery = true, value = "SELECT COUNT(*) FROM `user`")
Long right2();

@Query(nativeQuery = true, value = "SELECT * FROM `user` WHERE score IS NULL")
List<User> right3();

可得正确结果0、1、[User(id=1, score=null)]。

客户端开发，要和服务端对齐字段null含义和降级逻辑
服务端开发，要对入参进行前置判断，提前挡掉服务端不可接受的空值，同时在整个业务逻辑过程中进行完善的空值处理

8 数据库NPE

Incorrect DECIMAL value: ‘0’ for column xxx

数据表定义时 decimal 类型，但 java 代码传时默认值写成""，造成插入数据时报错，其实空时传 null 即可，即设置该字段的值。

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阿里华为等大厂架构师如何解决空指针问题

0 前言

1 NPE事发场景

2 修复NPE

Integer判空

3 String V.S 字面量

4 不支持 null 的容器

5 级联调用

6 POJO字段null歧义

6.1 案例

6.2 DTO字段null的含义

6.3 POJO中的字段有默认值

6.4 字符串格式化时可能将null值格式化为"null"字符串

6.5 DTO和Entity共用POJO

6.6 数据库字段允许保存null

7 MySQL的NULL大坑

7.1 环境

7.2 原因

7.3 修正SQL

8 数据库NPE

JavaEdge

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