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解讀：三目運(yùn)算符為何會(huì)導(dǎo)致NPE？

在三目運(yùn)算符中，表達(dá)式 1 和 2 在涉及算術(shù)計(jì)算或數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)觸發(fā)自動(dòng)拆箱。當(dāng)其中的操作數(shù)為 null 值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 NPE 。本文將詳細(xì)剖析 NPE 出現(xiàn)的原因，重新梳理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并進(jìn)一步擴(kuò)展，幫助大家徹底理解這個(gè)問題。

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最近，《Java 開發(fā)手冊(cè)》發(fā)布了最新版——泰山版，這個(gè)名字起的不錯(cuò)，一覽眾山小。

新版新增了 30+ 規(guī)約，其中有一條規(guī)約引起了作者的關(guān)注，那就是手冊(cè)中提到在三目運(yùn)算符使用過程中，需要注意自動(dòng)拆箱導(dǎo)致的 NullPointerException(后文簡(jiǎn)稱：NPE)問題：

因?yàn)檫@個(gè)問題我很久之前(2015 年)遇到過，曾經(jīng)在博客中也記錄過，剛好最新的開發(fā)手冊(cè)再次提到了這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，于是把之前的文章內(nèi)容翻出來(lái)并重新整理了一下，帶大家一起回顧下這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

可能有些人看過我之前那篇文章，本文并不是單純的"舊瓶裝新酒"，在重新梳理這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，作者重新翻閱了《The Java Language Specification》，并且對(duì)比了 Java SE 7 和 Java SE 8 之后的相關(guān)變化，希望可以幫助大家更加全面的理解這個(gè)問題。

基礎(chǔ)回顧

在詳細(xì)展看介紹之前，先簡(jiǎn)單介紹下本文要涉及到的幾個(gè)重要概念，分別是"三目運(yùn)算符"、"自動(dòng)拆裝箱"等，如果大家對(duì)于這些歷史知識(shí)有所掌握的話，可以先跳過本段內(nèi)容，直接看問題重現(xiàn)部分即可。

三目運(yùn)算符

在《The Java Language Specification》中，三目運(yùn)算符的官方名稱是 Conditional Operator ? : ，我一般稱呼他為條件表達(dá)式，詳細(xì)介紹在 JLS 15.25 中，這里簡(jiǎn)單介紹下其基本形式和用法。

三目運(yùn)算符是 Java 語(yǔ)言中的重要組成部分，它也是唯一有 3 個(gè)操作數(shù)的運(yùn)算符。形式為：

<表達(dá)式1> ? <表達(dá)式2> : <表達(dá)式3>

以上，通過 ?、: 組合的形式得到一個(gè)條件表達(dá)式。其中 ? 運(yùn)算符的含義是：先求表達(dá)式 1 的值，如果為真，則執(zhí)行并返回表達(dá)式 2 的結(jié)果;如果表達(dá)式 1 的值為假，則執(zhí)行并返回表達(dá)式 3 的結(jié)果。

值得注意的是，一個(gè)條件表達(dá)式從不會(huì)既計(jì)算 <表達(dá)式 2>，又計(jì)算 <表達(dá)式 3>。條件運(yùn)算符是右結(jié)合的，也就是說，從右向左分組計(jì)算。例如，a?b:c?d:e 將按 a?b:(c?d:e) 執(zhí)行。

自動(dòng)裝箱與自動(dòng)拆箱

介紹過了三目運(yùn)算符(條件表達(dá)式)之后，我們?cè)賮?lái)簡(jiǎn)單介紹下 Java 中的自動(dòng)拆裝箱相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

每一個(gè) Java 開發(fā)者一定都對(duì) Java 中的基本數(shù)據(jù)類型不陌生，Java 中共有 8 種基本數(shù)據(jù)類型，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型帶來(lái)一個(gè)好處就是他們直接在棧內(nèi)存中存儲(chǔ)，不會(huì)在堆上分配內(nèi)存，使用起來(lái)更加高效。

但是，Java 語(yǔ)言是一個(gè)面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，而基本數(shù)據(jù)類型不是對(duì)象，導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中有諸多不便，如集合類要求其內(nèi)部元素必須是 Object 類型，基本數(shù)據(jù)類型就無(wú)法使用。

所以，相對(duì)應(yīng)的，Java 提供了 8 種包裝類型，更加方便在需要對(duì)象的地方使用。

有了基本數(shù)據(jù)類型和包裝類，帶來(lái)了一個(gè)麻煩就是需要在他們之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在 Java SE5 中，為了減少開發(fā)人員的工作，Java 提供了自動(dòng)拆箱與自動(dòng)裝箱功能。

自動(dòng)裝箱：就是將基本數(shù)據(jù)類型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的包裝類。
自動(dòng)拆箱：就是將包裝類自動(dòng)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的基本數(shù)據(jù)類型。

 
 
 
 
  
  
  
  Integer i =10;  //自動(dòng)裝箱 
  
  
  
  int b= i;     //自動(dòng)拆箱

我們可以簡(jiǎn)單理解為，當(dāng)我們自己寫的代碼符合裝(拆)箱規(guī)范的時(shí)候，編譯器就會(huì)自動(dòng)幫我們拆(裝)箱。

自動(dòng)裝箱都是通過包裝類的 valueOf() 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的.自動(dòng)拆箱都是通過包裝類對(duì)象的xxxValue() 來(lái)實(shí)現(xiàn)的(如 booleanValue()、longValue() 等)。

問題重現(xiàn)

在最新版的開發(fā)手冊(cè)中給出了一個(gè)例子，提示我們?cè)谑褂萌窟\(yùn)算符的過程中，可能會(huì)進(jìn)行自動(dòng)拆箱而導(dǎo)致 NPE 問題。

原文中的例子相對(duì)復(fù)雜一些，因?yàn)樗€涉及到多個(gè) Integer 相乘的結(jié)果是 int 的問題，我們舉一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的一點(diǎn)的例子先來(lái)重現(xiàn)下這個(gè)問題：

 
 
 
 
  
  
  
  boolean flag = true; //設(shè)置成true，保證條件表達(dá)式的表達(dá)式二一定可以執(zhí)行 
  
  
  
  boolean simpleBoolean = false; //定義一個(gè)基本數(shù)據(jù)類型的boolean變量 
  
  
  
  Boolean nullBoolean = null;//定義一個(gè)包裝類對(duì)象類型的Boolean變量，值為null  
  
  
  
  boolean x = flag ? nullBoolean : simpleBoolean; //使用三目運(yùn)算符并給x變量賦值

以上代碼，在運(yùn)行過程中，會(huì)拋出 NPE：

 
 
 
 
  
  
  
  Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException

而且，這個(gè)和你使用的 JDK 版本是無(wú)關(guān)的，作者分別在 JDK 6、JDK 8 和 JDK 14 上做了測(cè)試，均會(huì)拋出 NPE。

為了一探究竟，我們嘗試對(duì)以上代碼進(jìn)行反編譯，使用 jad 工具進(jìn)行反編譯后，得到以下代碼：

 
 
 
 
  
  
  
  boolean flag = true; 
  
  
  
  boolean simpleBoolean = false; 
  
  
  
  Boolean nullBoolean = null; 
  
  
  
  boolean x = flag ? nullBoolean.booleanValue() : simpleBoolean;

可以看到，反編譯后的代碼的最后一行，編譯器幫我們做了一次自動(dòng)拆箱，而就是因?yàn)檫@次自動(dòng)拆箱，導(dǎo)致代碼出現(xiàn)對(duì)于一個(gè) null 對(duì)象( nullBoolean.booleanValue() )的調(diào)用，導(dǎo)致了 NPE。

那么，為什么編譯器會(huì)進(jìn)行自動(dòng)拆箱呢?什么情況下需要進(jìn)行自動(dòng)拆箱呢?

原理分析

關(guān)于為什么編輯器會(huì)在代碼編譯階段對(duì)于三目運(yùn)算符中的表達(dá)式進(jìn)行自動(dòng)拆箱，其實(shí)在《The Java Language Specification》(后文簡(jiǎn)稱 JLS)的第 15.25 章節(jié)中是有相關(guān)介紹的。

在不同版本的 JLS 中，關(guān)于這部分描述雖然不盡相同，尤其在 Java 8 中有了大幅度的更新，但是其核心內(nèi)容和原理是不變的。我們直接看 Java SE 1.7 JLS 中關(guān)于這部分的描述(因?yàn)?1.7 的表述更加簡(jiǎn)潔一些)：

The type of a conditional expression is determined as follows: ? If the second and third operands have the same type (which may be the null type),then that is the type of the conditional expression. ? If one of the second and third operands is of primitive type T, and the type of the other is the result of applying boxing conversion (§5.1.7) to T, then the type of the conditional expression is T.

簡(jiǎn)單的來(lái)說就是：當(dāng)?shù)诙缓偷谌徊僮鲾?shù)的類型相同時(shí)，則三目運(yùn)算符表達(dá)式的結(jié)果和這兩位操作數(shù)的類型相同。當(dāng)?shù)诙?，第三位操作?shù)分別為基本類型和該基本類型對(duì)應(yīng)的包裝類型時(shí)，那么該表達(dá)式的結(jié)果的類型要求是基本類型。

為了滿足以上規(guī)定，又避免程序員過度感知這個(gè)規(guī)則，所以在編譯過程中編譯器如果發(fā)現(xiàn)三目操作符的第二位和第三位操作數(shù)的類型分別是基本數(shù)據(jù)類型(如 boolean)以及該基本類型對(duì)應(yīng)的包裝類型(如 Boolean)時(shí)，并且需要返回表達(dá)式為包裝類型，那么就需要對(duì)該包裝類進(jìn)行自動(dòng)拆箱。

在 Java SE 1.8 JLS 中，關(guān)于這部分描述又做了一些細(xì)分，再次把表達(dá)式區(qū)分成布爾型條件表達(dá)式(Boolean Conditional Expressions)、數(shù)值型條件表達(dá)式(Numeric Conditional Expressions)和引用類型條件表達(dá)式(Reference Conditional Expressions)。

并且通過表格的形式明確的列舉了第二位和第三位分別是不同類型時(shí)得到的表達(dá)式結(jié)果值應(yīng)該是什么，感興趣的大家可以去翻閱一下。

其實(shí)簡(jiǎn)單總結(jié)下，就是：

當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式都是包裝類型的時(shí)候，該表達(dá)式的結(jié)果才是該包裝類型，否則，只要有一個(gè)表達(dá)式的類型是基本數(shù)據(jù)類型，則表達(dá)式得到的結(jié)果都是基本數(shù)據(jù)類型。如果結(jié)果不符合預(yù)期，那么編譯器就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)拆箱。即 Java 開發(fā)手冊(cè)中總結(jié)的：只要表達(dá)式 1 和表達(dá)式 2 的類型有一個(gè)是基本類型，就會(huì)做觸發(fā)類型對(duì)齊的拆箱操作，只不過如果都是基本類型也就不需要拆箱了。

如下 3 種情況是我們熟知該規(guī)則，在聲明表達(dá)式的結(jié)果的類型時(shí)刻意和規(guī)則保持一致的情況(為了幫助大家理解，我備注了注釋和反編譯后的代碼)：

 
 
 
 
  
  
  
  boolean flag = true; 
  
  
  
  boolean simpleBoolean = false; 
  
  
  
  Boolean objectBoolean = Boolean.FALSE;

 
 
 
 
  
  
  
  //當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式都是對(duì)象時(shí)，表達(dá)式返回值也為對(duì)象。 
  
  
  
  Boolean x1 = flag ? objectBoolean : objectBoolean; 
  
  
  
  //反編譯后代碼為：Boolean x1 = flag ? objectBoolean : objectBoolean; 
  
  
  
  //因?yàn)閤1的類型是對(duì)象，所以不需要做任何特殊操作。

 
 
 
 
  
  
  
  //當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式都為基本類型時(shí)，表達(dá)式返回值也為基本類型。 
  
  
  
  boolean x2 = flag ? simpleBoolean : simpleBoolean; 
  
  
  
  //反編譯后代碼為：boolean x2 = flag ? simpleBoolean : simpleBoolean; 
  
  
  
  //因?yàn)?nbsp;x2 的類型也是基本類型，所以不需要做任何特殊操作。

 
 
 
 
  
  
  
  //當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式中有一個(gè)為基本類型時(shí)，表達(dá)式返回值也為基本類型。 
  
  
  
  boolean x3 = flag ? objectBoolean : simpleBoolean; 
  
  
  
  //反編譯后代碼為：boolean x3 = flag ? objectBoolean.booleanValue() : simpleBoolean; 
  
  
  
  //因?yàn)?nbsp;x3 的類型是基本類型，所以需要對(duì)其中的包裝類進(jìn)行拆箱。

因?yàn)槲覀兪熘窟\(yùn)算符的規(guī)則，所以我們就會(huì)按照以上方式去定義 x1、x2 和 x3 的類型。

但是，并不是所有人都熟知這個(gè)規(guī)則，所以在實(shí)際應(yīng)用中，還會(huì)出現(xiàn)以下三種定義方式：

 
 
 
 
  
  
  
  //當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式都是對(duì)象時(shí)，表達(dá)式返回值也為對(duì)象。 
  
  
  
  boolean x4 = flag ? objectBoolean : objectBoolean; 
  
  
  
  //反編譯后代碼為：boolean x4 = (flag ? objectBoolean : objectBoolean).booleanValue(); 
  
  
  
  //因?yàn)?nbsp;x4 的類型是基本類型，所以需要對(duì)表達(dá)式結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)拆箱。

 
 
 
 
  
  
  
  //當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式都為基本類型時(shí)，表達(dá)式返回值也為基本類型。 
  
  
  
  Boolean x5 = flag ? simpleBoolean : simpleBoolean; 
  
  
  
  //反編譯后代碼為：Boolean x5 = Boolean.valueOf(flag ? simpleBoolean : simpleBoolean); 
  
  
  
  //因?yàn)?nbsp;x5 的類型是對(duì)象類型，所以需要對(duì)表達(dá)式結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)裝箱。

 
 
 
 
  
  
  
  //當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式中有一個(gè)為基本類型時(shí)，表達(dá)式返回值也為基本類型。 
  
  
  
  Boolean x6 = flag ? objectBoolean : simpleBoolean; 
  
  
  
  //反編譯后代碼為：Boolean x6 = Boolean.valueOf(flag ? objectBoolean.booleanValue() : simpleBoolean); 
  
  
  
  //因?yàn)?nbsp;x6 的類型是對(duì)象類型，所以需要對(duì)表達(dá)式結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)裝箱。

所以，日常開發(fā)中就有可能出現(xiàn)以上 6 種情況。聰明的讀者們讀到這里也一定想到了，在以上 6 種情況中，如果是涉及到自動(dòng)拆箱的，一旦對(duì)象的值為 null，就必然會(huì)發(fā)生 NPE。

舉例驗(yàn)證，我們把以上的 x3、x4 以及 x6 中的的對(duì)象類型設(shè)置成 null，分別執(zhí)行下代碼：

 
 
 
 
  
  
  
  Boolean nullBoolean = null; 
  
  
  
  boolean x3 = flag ? nullBoolean : simpleBoolean; 
  
  
  
  boolean x4 = flag ? nullBoolean : objectBoolean; 
  
  
  
  Boolean x6 = flag ? nullBoolean : simpleBoolean;

以上三種情況，都會(huì)在執(zhí)行時(shí)發(fā)生 NPE。

其中 x3 和 x6 是三目運(yùn)算符運(yùn)算過程中，根據(jù) JLS 的規(guī)則確定類型的過程中要做自動(dòng)拆箱而導(dǎo)致的 NPE。由于使用了三目運(yùn)算符，并且第二、第三位操作數(shù)分別是基本類型和對(duì)象。就需要對(duì)對(duì)象進(jìn)行拆箱操作，由于該對(duì)象為 null，所以在拆箱過程中調(diào)用 null.booleanValue() 的時(shí)候就報(bào)了 NPE。

而 x4 是因?yàn)槿窟\(yùn)算符運(yùn)算結(jié)束后根據(jù)規(guī)則他得到的是一個(gè)對(duì)象類型，但是在給變量賦值過程中進(jìn)行自動(dòng)拆箱所導(dǎo)致的 NPE。

小結(jié)

如前文介紹，在開發(fā)過程中，如果涉及到三目運(yùn)算符，那么就要高度注意其中的自動(dòng)拆裝箱問題。

最好的做法就是保持三目運(yùn)算符的第二位和第三位表達(dá)式的類型一致，并且如果要把三目運(yùn)算符表達(dá)式給變量賦值的時(shí)候，也盡量保持變量的類型和他們保持一致。并且，做好單元測(cè)試!!!

所以，《Java 開發(fā)手冊(cè)》中提到要高度注意第二位和第三位表達(dá)式的類型對(duì)齊過程中由于自動(dòng)拆箱發(fā)生的 NPE 問題，其實(shí)還需要注意使用三目運(yùn)算符表達(dá)式給變量賦值的時(shí)候由于自動(dòng)拆箱導(dǎo)致的 NPE 問題。

至此，我們已經(jīng)介紹完了《Java 開發(fā)手冊(cè)》中關(guān)于三目運(yùn)算符使用過程中可能會(huì)導(dǎo)致 NPE 的問題。

如果一定要給出一個(gè)方法論去避免這個(gè)問題的話，那么在使用的過程中，無(wú)論是三目運(yùn)算符中的三個(gè)表達(dá)式，還是三目運(yùn)算符表達(dá)式要賦值的變量，最好都使用包裝類型，可以減少發(fā)生錯(cuò)誤的概率。

擴(kuò)展思考

為了方便大家理解，我使用了簡(jiǎn)單的布爾類型的例子說明了 NPE 的問題。但是實(shí)際在代碼開發(fā)中，遇到的場(chǎng)景可能并沒有那么簡(jiǎn)單，比如說以下代碼，大家猜一下能否正常執(zhí)行：

 
 
 
 
  
  
  
  Map map =  new HashMap(); 
  
  
  
  Boolean b = (map!=null ? map.get("Hollis") : false);

如果你的答案是"不能，這里會(huì)拋 NPE"那么說明你看懂了本文的內(nèi)容，但是，我只能說你只是答對(duì)了一半。

因?yàn)橐陨洗a，在小于 JDK 1.8 的版本中執(zhí)行的結(jié)果是 NPE，在 JDK 1.8 及以后的版本中執(zhí)行結(jié)果是 null。

之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的不同，這個(gè)就說來(lái)話長(zhǎng)了，我挑其中的重點(diǎn)內(nèi)容簡(jiǎn)單介紹下吧，以下內(nèi)容主要還是圍繞 Java 8 的 JLS 。

JLS 15 中對(duì)條件表達(dá)式(三目運(yùn)算符)做了細(xì)分之后分為三種，區(qū)分方式：

如果表達(dá)式的第二個(gè)和第三個(gè)操作數(shù)都是布爾表達(dá)式，那么該條件表達(dá)式就是布爾表達(dá)式
如果表達(dá)式的第二個(gè)和第三個(gè)操作數(shù)都是數(shù)字型表達(dá)式，那么該條件表達(dá)式就是數(shù)字型表達(dá)式
除了以上兩種以外的表達(dá)式就是引用表達(dá)式

因?yàn)?Boolean b = (map!=null ? map.get("Hollis") : false); 表達(dá)式中，第二位操作數(shù)為 map.get("test") ，雖然 Map 在定義的時(shí)候規(guī)定了其值類型為 Boolean，但是在編譯過程中泛型是會(huì)被擦除的(泛型的類型擦除)，所以，其結(jié)果就是 Object。那么根據(jù)以上規(guī)則判斷，這個(gè)表達(dá)式就是引用表達(dá)式。

又跟據(jù) JLS 15.25.3 中規(guī)定：

如果引用條件表達(dá)式出現(xiàn)在賦值上下文或調(diào)用上下文中，那么條件表達(dá)式就是合成表達(dá)式

因?yàn)?，Boolean b = (map!=null ? map.get("Hollis") : false); 其實(shí)就是一個(gè)賦值上下文(關(guān)于賦值上下文相見 JLS 5.2)，所以 map!=null ? map.get("Hollis") : false; 就是合成表達(dá)式。

那么 JLS 15.25.3 中對(duì)合成表達(dá)式的操作數(shù)類型做了約束：

合成的引用條件表達(dá)式的類型與其目標(biāo)類型相同

所以，因?yàn)橛辛诉@個(gè)約束，編譯器就可以推斷(Java 8 中類型推斷，詳見 JLS 18)出該表達(dá)式的第二個(gè)操作數(shù)和第三個(gè)操作數(shù)的結(jié)果應(yīng)該都是 Boolean 類型。

所以，在編譯過程中，就可以分別把他們都轉(zhuǎn)成 Boolean 即可，那么以上代碼在 Java 8 中反編譯后內(nèi)容如下：

 
 
 
 
  
  
  
  Boolean b = maps == null ? Boolean.valueOf(false) : (Boolean)maps.get("Hollis");

但是在 Java 7 中可沒有這些規(guī)定(Java 8 之前的類型推斷功能還很弱)，編譯器只知道表達(dá)式的第二位和第三位分別是基本類型和包裝類型，而無(wú)法推斷最終表達(dá)式類型。

那么他就會(huì)先根據(jù) JLS 15.25 的規(guī)定，把返回值結(jié)果轉(zhuǎn)換成基本類型。然后在進(jìn)行變量賦值的時(shí)候，再轉(zhuǎn)換成包裝類型：

 
 
 
 
  
  
  
  Boolean b = Boolean.valueOf(maps == null ? false : ((Boolean)maps.get("Hollis")).booleanValue());

所以，相比 Java 8 中多了一步自動(dòng)拆箱，所以會(huì)導(dǎo)致 NPE。

參考資料：

【1】《Java 開發(fā)手冊(cè)(泰山版)》

【2】http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se7/html/jls-15.html#jls-15.25

【3】http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-15.html#jls-15.25

【4】https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-15.html#jls-15.2

【5】https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se7/html/jls-15.html#jls-15.12.2.7

【6】https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-18.html

文章名稱：解讀：三目運(yùn)算符為何會(huì)導(dǎo)致NPE？
文章分享：http://m.fisionsoft.com.cn/article/cddpihd.html

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