[你必须知道的.NET]第二十一回：认识全面的null
发布日期：2008.7.31 作者：Anytao
© 2008 Anytao.com ，Anytao原创作品，转贴请注明作者和出处。
 说在，开篇之前 |
|
null、nullable、??运算符、null object模式，这些闪亮的概念在你眼前晃动，我们有理由相信“存在即合理”，事实上，null不光合理，而且重要。本文，从null的基本认知开始，逐层了解可空类型、??运算符和null object模式，在循序之旅中了解不一样的null。 你必须知道的.NET，继续全新体验，分享更多色彩。 |
1 从什么是null开始？
null，一个值得尊敬的数据标识。
一般说来，null表示空类型，也就是表示什么都没有，但是“什么都没有”并不意味“什么都不是”。实际上，null是如此的重要，以致于在JavaScript中，Null类型就作为5种基本的原始类型之一，与Undefined、Boolean、Number和String并驾齐驱。这种重要性同样表现在.NET中，但是一定要澄清的是，null并不等同于0，""，string.Empty这些通常意义上的“零”值概念。相反，null具有实实在在的意义，这个意义就是用于标识变量引用的一种状态，这种状态表示没有引用任何对象实例，也就是表示“什么都没有”，既不是Object实例，也不是User实例，而是一个空引用而已。
在上述让我都拗口抓狂的表述中，其实中心思想就是澄清一个关于null意义的无力诉说，而在.NET中null又有什么实际的意义呢？
在.NET中，null表示一个对象引用是无效的。作为引用类型变量的默认值，null是针对指针（引用）而言的，它是引用类型变量的专属概念，表示一个引用类型变量声明但未初始化的状态，例如：
object obj = null;
此时obj仅仅是一个保存在线程栈上的引用指针，不代表任何意义，obj未指向任何有效实例，而被默认初始化为null。
object obj和object obj = null的区别？
那么，object obj和object obj = null有实际的区别吗？答案是：有。主要体现在编译器的检查上。默认情况下，创建一个引用类型变量时，CLR即将其初始化为null，表示不指向任何有效实例，所以本质上二者表示了相同的意义，但是有有所区别：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
//编译器检测错误：使用未赋值变量obj
//object obj;
//编译器理解为执行了初始化操作，所以不引发编译时错误
object obj = null;
if (obj == null)
{
//运行时抛出NullReferenceException异常
Console.WriteLine(obj.ToString());
}
注：当我把这个问题抛给几个朋友时，对此的想法都未形成统一的共识，几位同志各有各的理解，也各有个的道理。当然，我也慎重的对此进行了一番探讨和分析，但是并未形成完全100%确定性的答案。不过，在理解上我更倾向于自己的分析和判断，所以在给出上述结论的基础上，也将这个小小的思考留给大家来探讨，好的思考和分析别忘了留给大家。事实上，将
static void Main(string[] args)
{
object o;
object obj = null;
}
反编译为IL时，二者在IL层还是存在一定的差别：
.method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed
{
.entrypoint
.maxstack 1
.locals init (
[0] object o,
[1] object obj)
L_0000: nop
L_0001: ldnull
L_0002: stloc.1
L_0003: ret
}
前者没有发生任何附加操作；而后者通过ldnull指令推进一个空引用给evaluation stack，而stloc则将空引用保存。
回到规则
在.NET中，对null有如下的基本规则和应用：
- null为引用类型变量的默认值，为引用类型的概念范畴。
- null不等同于0，""，string.Empty。
- 引用is或as模式对类型进行判断或转换时，需要做进一步的null判断。
| 快捷参考 |
|
- 判断一个变量是否为null，可以应用==或!=操作符来完成。
- 对任何值为nul的l变量操作，都会抛出NullReferenceException异常。
2 Nullable<T>（可空类型）
一直以来，null都是引用类型的特有产物，对值类型进行null操作将在编译器抛出错误提示，例如：
//抛出编译时错误
int i = null;
if (i == null)
{
Console.WriteLine("i is null.");
}
正如示例中所示，很多情况下作为开发人员，我们更希望能够以统一的方式来处理，同时也希望能够解决实际业务需求中对于“值”也可以为“空”这一实际情况的映射。因此，自.NET 2.0以来，这一特权被新的System.Nullable<T>（即，可空值类型）的诞生而打破，解除上述诟病可以很容易以下面的方式被实现：
//Nullable<T>解决了这一问题
int? i = null;
if (i == null)
{
Console.WriteLine("i is null.");
}
你可能很奇怪上述示例中并没有任何Nullable的影子，实际上这是C#的一个语法糖，以下代码在本质上是完全等效的：
int? i = null;
Nullable<int> i = null;
显然，我们更中意以第一种简洁而优雅的方式来实现我们的代码，但是在本质上Nullable<T>和T?他们是一路货色。
可空类型的伟大意义在于，通过Nullable<T>类型，.NET为值类型添加“可空性”，例如Nullable<Boolean>的值就包括了true、false和null，而Nullable<Int32>则表示值即可以为整形也可以为null。同时，可空类型实现了统一的方式来处理值类型和引用类型的“空”值问题，例如值类型也可以享有在运行时以NullReferenceException异常来处理。
另外，可空类型是内置于CLR的，所以它并非c#的独门绝技，VB.NET中同样存在相同的概念。
Nullable的本质（IL）
那么我们如何来认识Nullable的本质呢？当你声明一个：
Nullable<Int32> count = new Nullable<Int32>();
时，到底发生了什么样的过程呢？我们首先来了解一下Nullable在.NET中的定义：
public struct Nullable<T> where T : struct
{
private bool hasValue;
internal T value;
public Nullable(T value);
public bool HasValue { get; }
public T Value { get; }
public T GetValueOrDefault();
public T GetValueOrDefault(T defaultValue);
public override bool Equals(object other);
public override int GetHashCode();
public override string ToString();
public static implicit operator T?(T value);
public static explicit operator T(T? value);
}
根据上述定义可知，Nullable本质上仍是一个struct为值类型，其实例对象仍然分配在线程栈上。其中的value属性封装了具体的值类型，Nullable<T>进行初始化时，将值类型赋给value，可以从其构造函数获知：
public Nullable(T value)
{
this.value = value;
this.hasValue = true;
}
同时Nullable<T>实现相应的Equals、ToString、GetHashCode方法，以及显式和隐式对原始值类型与可空类型的转换。因此，在本质上Nullable可以看着是预定义的struct类型，创建一个Nullable<T>类型的IL表示可以非常清晰的提供例证，例如创建一个值为int型可空类型过程，其IL可以表示为：
.method private hidebysig static void Main() cil managed
{
.entrypoint
.maxstack 2
.locals init (
[0] valuetype [mscorlib]System.Nullable`1<int32> a)
L_0000: nop
L_0001: ldloca.s a
L_0003: ldc.i4 0x3e8
L_0008: call instance void [mscorlib]System.Nullable`1<int32>::.ctor(!0)
L_000d: nop
L_000e: ret
}
对于可空类型，同样需要必要的小结：
- 可空类型表示值为null的值类型。
- 不允许使用嵌套的可空类型，例如Nullable<Nullable<T>> 。
- Nullable<T>和T?是等效的。
- 对可空类型执行GetType方法，将返回类型T，而不是Nullable<T>。
- c#允许在可空类型上执行转换和转型，例如：
int? a = 100;
Int32 b = (Int32)a;
a = null;
- 同时为了更好的将可空类型于原有的类型系统进行兼容，CLR提供了对可空类型装箱和拆箱的支持。
3 ??运算符
在实际的程序开发中，为了有效避免发生异常情况，进行null判定是经常发生的事情，例如对于任意对象执行ToString()操作，都应该进行必要的null检查，以免发生不必要的异常提示，我们常常是这样实现的：
object obj = new object();
string objName = string.Empty;
if (obj != null)
{
objName = obj.ToString();
}
Console.WriteLine(objName);
然而这种实现实在是令人作呕，满篇的if语句总是让人看着浑身不适，那么还有更好的实现方式吗，我们可以尝试（? :）三元运算符：
object obj = new object();
string objName = obj == null ? string.Empty : obj.ToString();
Console.WriteLine(objName);
上述obj可以代表任意的自定义类型对象，你可以通过覆写ToString方法来输出你想要输出的结果，因为上述实现是如此的频繁，所以.NET 3.0中提供了新的操作运算符来简化null值的判断过程，这就是：??运算符。上述过程可以以更加震撼的代码表现为：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
object obj = null;
string objName = (obj ?? string.Empty).ToString();
Console.WriteLine(objName);
那么??运算符的具体作用是什么呢？
??运算符，又称为null-coalescing operator，如果左侧操作数为null，则返回右侧操作数的值， 如果不为null则返回左侧操作数的值。它既可以应用于可空类型，有可以应用于引用类型。
模式之于设计，正如秘笈之于功夫。正如我们前文所述，null在程序设计中具有举足轻重的作用，因此如何更优雅的处理“对象为空”这一普遍问题，大师们提出了Null Object Pattern概念，也就是我们常说的Null Object模式。例如Bob大叔在《敏捷软件开发--原则、模式、实践》一书，Martin Fowler在《Refactoring: Improving the Design of Existing Code》一书，都曾就Null Object模式展开详细的讨论，可见23中模式之外还是有很多设计精髓，可能称为模式有碍经典。但是仍然值得我们挖据、探索和发现。 4 Nulll Object模式
下面就趁热打铁，在null认识的基础上，对null object模式进行一点探讨，研究null object解决的问题，并提出通用的null object应用方式。
解决什么问题？
简单来说，null object模式就是为对象提供一个指定的类型，来代替对象为空的情况。说白了就是解决对象为空的情况，提供对象“什么也不做”的行为，这种方式看似无聊，但却是很聪明的解决之道。举例来说，一个User类型对象user需要在系统中进行操作，那么典型的操作方式是：
if (user != null)
{
manager.SendMessage(user);
}
这种类似的操作，会遍布于你的系统代码，无数的if判断让优雅远离了你的代码，如果大意忘记null判断，那么只有无情的异常伺候了。于是，Null object模式就应运而生了，对User类实现相同功能的NullUser类型，就可以有效的避免繁琐的if和不必要的失误：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
public class NullUser : IUser
{
public void Login()
{
//不做任何处理
}
public void GetInfo() { }
public bool IsNull
{
get { return true; }
}
}
IsNull属性用于提供统一判定null方式，如果对象为NullUser实例，那么IsNull一定是true的。
那么，二者的差别体现在哪儿呢？其实主要的思路就是将null value转换为null object，把对user == null这样的判断，转换为user.IsNull虽然只有一字之差，但是本质上是完全两回事儿。通过null object模式，可以确保返回有效的对象，而不是没有任何意义的null值。同时，“在执行方法时返回null object而不是null值，可以避免NullReferenceExecption异常的发生。”，这是来自Scott Dorman的声音。
通用的null object方案
下面，我们实现一种较为通用的null object模式方案，并将其实现为具有.NET特色的null object，所以我们采取实现.NET中INullable接口的方式来实现，INullable接口是一个包括了IsNull属性的接口，其定义为：
public interface INullable
{
// Properties
bool IsNull { get; }
}
仍然以User类为例，实现的方案可以表达为：
图中仅仅列举了简单的几个方法或属性，旨在达到说明思路的目的，其中User的定义为：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
public class User : IUser
{
public void Login()
{
Console.WriteLine("User Login now.");
}
public void GetInfo()
{
Console.WriteLine("User Logout now.");
}
public bool IsNull
{
get { return false; }
}
}
而对应的NullUser，其定义为：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
public class NullUser : IUser
{
public void Login()
{
//不做任何处理
}
public void GetInfo() { }
public bool IsNull
{
get { return true; }
}
}
同时通过UserManager类来完成对User的操作和管理，你很容易思考通过关联方式，将IUser作为UserManger的属性来实现，基于对null object的引入，实现的方式可以为：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
class UserManager
{
private IUser user = new User();
public IUser User
{
get { return user; }
set
{
user = value ?? new NullUser();
}
}
}
当然有效的测试是必要的：
public static void Main()
{
UserManager manager = new UserManager();
//强制为null
manager.User = null;
//执行正常
manager.User.Login();
if (manager.User.IsNull)
{
Console.WriteLine("用户不存在，请检查。");
}
}
通过强制将User属性实现为null，在调用Login时仍然能够保证系统的稳定性，有效避免对null的判定操作，这至少可以让我们的系统少了很多不必要的判定代码。
详细的代码可以通过本文最后的下载空间进行下载。实际上，可以通过引入Facotry Method模式来构建对于User和NullUser的创建工作，这样就可以完全消除应用if进行判断的僵化，不过那是另外一项工作罢了。
当然，这只是null object的一种实现方案，在此对《Refactoring》一书的示例进行改良，完成更具有.NET特色的null object实现，你也可以请NullUser继承Use并添加相应的IsNull判定属性来完成。
借力c# 3.0的Null object
在C# 3.0中，Extension Method（扩展方法）对于成就LINQ居功至伟，但是Extension Method的神奇远不是止于LINQ。在实际的设计中，灵活而巧妙的应用，同样可以给你的设计带来意想不到的震撼，以上述User为例我们应用Extension Method来取巧实现更简洁IsNull判定，代替实现INullable接口的方法而采用更简单的实现方式。重新构造一个实现相同功能的扩展方法，例如：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
public static class UserExtension
{
public static bool IsNull(this User user)
{
return null == user;
}
}
当然，这只是一个简单的思路，仅仅将对null value的判断转换为null object的判断角度来看，扩展方法带来了更有效的、更简洁的表现力。
null object模式的小结
- 有效解决对象为空的情况，为值为null提供可靠保证。
- 保证能够返回有效的默认值，例如在一个IList<User> userList中，能够保证任何情况下都有有效值返回，可以保证对userList操作的有效性，例如：
// Copyright : www.anytao.com
// Author : Anytao，http://www.anytao.com
// Release : 2008/07/31 1.0
public void SendMessageAll(List<User> userList)
{
//不需要对userList进行null判断
foreach (User user in userList)
{
user.SendMessage();
}
}
- 提供统一判定的IsNull属性。可以通过实现INullable接口，也可以通过Extension Method实现IsNull判定方法。
- null object要保持原object的所有成员的不变性，所以我们常常将其实现为Sigleton模式。
- Scott Doman说“在执行方法时返回null object而不是null值，可以避免NullReferenceExecption异常的发生”，这完全是对的。
5 结论
虽然形色匆匆，但是通过本文你可以基本了解关于null这个话题的方方面面，堆积到一起就是对一个概念清晰的把握和探讨。技术的魅力，大概也正是如此而已吧，色彩斑斓的世界里，即便是“什么都没有”的null，在我看来依然有很多很多。。。值得探索、思考和分享。
还有更多的null，例如LINQ中的null，SQL中的null，仍然可以进行探讨，我们将这种思考继续，所收获的果实就越多。
Anytao | 2008-07-31 | 你必须知道的.NET
http://www.anytao.com/ | Blog: http://anytao.cnblogs.com/ | Anytao原创作品，转贴请注明作者和出处，留此信息。
参考文献
（Book）Martin Fowler，Refactoring: Improving the Design of Existing Code
（cnblogs）zhuweisky，使用Null Object设计模式
（blogs）Scott Dorman，Null Object pattern
