10장 null 대신 Optional

자바 8 인 액션 10장을 요약한 내용 입니다.

NullPointerException은 초급자, 중급자, 남녀노소를 불문하고 모든 자바 개발자를 괴롭히는 예외이다.

토니 호어라는 영국 컴퓨터과학자가 처음 null 레퍼런스를 도입하였다. 그 당시에는 null 레퍼런스 및 예외로 값이 없는 상황을 가장 단순하게 구현할 수 있다고 판단했고 결과적으로 null 및 관련 예외가 탄생했다. 호어는 억만 달러짜리 실수라고 했지만 50년이라는 null 레퍼런스의 역사에 비추어볼 때 null로 인한 실질적인 피해비용은 이보다 클 수 있다.

값이 없는 상황을 어떻게 처리할까?

다음 코드에서는 어떤 문제가 발생할까?

public String getCarInsuranceName(Person person) {
    return person.getCar().getInsurance().getName();
}

코드에서 자동차를 소유하지 않은 사람이라면 어떻게 될까? 또는 자동차는 소유하고 있지만 보험을 보유하고 있지 않다면? 이렇듯 여러 방면에서 NullPointerException이 발생할 가능성을 가지고 있다.

보수적인 자세로 NullPointerException 줄이기

예기치 않은 NullPointerException을 피하려면 어떻게 해야 할까? 대부분의 프로그래머는 필요한 곳에 다양한 null 확인 코드를 추가해서 null 예외 문제를 해결하여 할 것이다.

public String getCarInsuranceName(Person person) {
    if (person != null) {
        Car car = person.getCar();
        if (car != null) {
            Insurance insurance = car.getInsurance();
            if (insurance != null) {
                return insurance.getName();
            }
        }
    }
    return "Unknown";
}

이와 같은 반복 패턴 코드를 '깊은 의심'이라고 부른다. 이를 반복하다 보면 코드의 구조가 엉망이 되고 가독성도 떨어진다. 따라서 뭔가 다른 해결 방법이 필요하다.

public String getCarInsuranceName(Person person) {
    if (person != null) {
        return "Unknown";
    }

    Car car = person.getCar();
    if (car != null) {
        return "Unknown";
    }

    Insurance insurance = car.getInsurance();
    if (insurance != null) {
        return "Unknown";
    }

    return insurance.getName();
}

위 코드는 조금 다른 방법으로 중첩 if 블록을 없앴다. 그러나 null일 때 반환되는 기본값 'Unknown'이 세 곳에서 반복되고 있는데 같은 문자열을 반복하면서 오타 등의 실수가 생길 수 있다.

null 때문에 발생하는 문제

자바에서 null 레퍼런스를 사용하면서 발생할 수 있는 이론적, 실용적 문제를 확인하자.

에러의 근원이다 : NullPointerException은 자바에서 가장 흔히 발생하는 에러다
코드를 어지럽힌다 : null 확인 코드를 추가해야 하므로 과도한 체크 로직으로 가독성이 떨어진다.
아무 의미가 없다 : 정적 형식 언어에서 값이 없음을 표현하는 방법으로는 적절하지 않다.
자바 철학에 위배된다
형식 시스템에 구멍을 만든다

Optional 클래스 소개

Optional은 선택형값을 캡슐화하는 클래스다. 값이 있으면 Optional 클래스는 값을 감싼다. 반면 값이 없으면 Optional.empty 메서드로 Optional을 반환한다. 의미상으론 둘이 비슷하지만 실제로는 차이점이 많다. null을 참조하려 하면 NullPointerException이 발생하지만 Optional.empty()는 Optional 객체이므로 이를 다양한 방식으로 활용할 수 있다.

Optional 적용 패턴

빈 Optional
Optional.empty로 빈 Optional 객체를 얻을 수 있다.
```
  Optional<Car> optCar = Optional.empty();
```
null이 아닌 값으로 Optional 만들기
```
  Optional<Car> optCar = Optional.of(car);
```
이제 car가 null이라면 즉시 NullPointerException이 발생한다(Optional을 사용하지 않았다면 car의 프로퍼티에 접근하려 할 때 에러가 발생했을 것이다. )
null값으로 Optional 만들기
```
  Optional<Car> optCar = Optional.ofNullable(car);
```
car가 null이면 빈 Optional 객체가 반환된다.

그런데 Optional이 비어있으면 get을 호출했을 때 예외가 발생한다. 즉, Optional을 잘못 사용하면 결국 null을 사용했을 때와 같은 문제를 겪을 수 있다. 따라서 Optional로 명시적인 검사를 제거할 수 있는 방법을 확인해야 한다.

맵으로 Optional의 값을 추출하고 변환하기

보통 객체의 정보를 추출할 때는 Optional을 사용할 때가 많다.

String name = null;
if(insurance != null) {
    name = insurance.getName();
}

이런 유형의 패턴에 사용할 수 있도록 Optional은 map 메서드를 지원한다.

Optional<Insurance> optInsurance = Optional.ofNullable(insurance);
Optional<String> name = optInsurance.map(Insurance::getName);

Optional이 값을 포함하면 map의 인수로 제공된 함수가 값을 바꾼다. optional이 비어 있으면 아무 일도 일어나지 않는다.

flatMap으로 Optional 객체 연결

Optional<Person> optPerson = Optional.of(person);
Optional<String> name = optPerson.map(Person::getCar)
                                                                    .map(Car::getInsurance)
                                                                    .map(Insurance::getName);

안타깝게도 위 코드는 컴파일되지 않는다. 변수 optPeople의 형식은 Optional이므로 map 메서드를 호출할 수 있다. 하지만 그 다음 연산은 Optional> 형식의 객체이므로 getInsurance 메서드를 지원하지 않는다.

스트림의 flatMap은 함수를 인수로 받아서 다른 스트림을 반환하는 메서드다. 즉 flatMap은 인수로 받은 함수를 적용해서 생성된 각각의 스트림에서 콘텐츠만 남기게 되므로 위와 같은 이슈를 해결할 수 있다.

Optional<Person> optPerson = Optional.of(person);
Optional<String> name = optPerson.flatMap(Person::getCar)
                                                                    .flatMap(Car::getInsurance)
                                                                    .map(Insurance::getName)
                                                                    .orElse("Unknown");

디폴트 액션과 Optional 언랩

Optional 클래스는 Optional 인스턴스에서 값을 읽을 수 있는 다양한 인스턴스 메서드를 제공한다.

get() : 래핑된 값이 있으면 해당 값을 반환하고 값이 없으면 NoSuchElementException을 발생시킨다.
orElse(T other) : Optional이 값을 포함하지 않을 때 디폴트값을 제공할 수 있다.
orElseGet(Supplier<? extends T> other) : orElse 메서드에 대응하는 게으른 버전의 메서드다. Optional에 값이 없을 때만 Supplier가 실행되기 때문이다.
orElseThrow(Supplier<? extends T> exceptionSupplier) : Optional이 비어있을때 예외를 발생시킨다는 점에서 get 메서드와 비슷하다
ifPresent(Consumer<? super T> consumer) : 값이 존재할 때 인수로 넘겨준 동작을 실행할 수 있다. 값이 없으면 아무 일도 일어나지 않는다.

두 Optional 합치기

이제 Person과 Car 정보를 이용해서 가장 저렴한 보럼료를 제공하는 보험회사를 찾는 기능을 구현해보자.

public Optional<Insurance> nullSafeFindCheapestInsurance(
                                                        Optional<Person> person, Optional<Car> car) {
    if (person.isPresent() && car.isPersent()) {
        return Optional.of(findCheapestInsurance(person.get(), car.get());
    } else {
        return Optional.empty();
    }
}

안타깝게도 구현 코드는 null 확인 코드와 크게 다른점이 없다. Optional 클래스에서 제공하는 기능을 이용해서 이코드를 더 자연스럽게 개선할 수 없을까?

public Optional<Insurance> nullSafeFindCheapestInsurance(
                                                        Optional<Person> person, Optional<Car> car) {
        return person.flatMap(p -> car.map(c ->findCheapestInsurance(p, c));
}

첫 번째 Optional에 flatMap을 호출했으므로 첫 번째 Optional이 비어있다면 인수로 전달한 람다 표현식이 실행되지 않고 그대로 빈 Optional을 반환한다.

필터로 특정값 거르기

종종 객체의 메서드를 호출해서 어떤 프로퍼티를 확인해야 할 때가 있다. 예를 들어 보험회사 이름이 "CambridgeInsurance"인지 확인해야 한다고 가정하자

Insurance insurance = ...;
if(insurance != null && "CambridgeInsurance".equals(insurance.getName())) {
    System.out.println("ok");
}

Optional 객체에 filter 메서드를 이용해서 다음과 같이 코드를 재구현할 수 있다.

Optional<Insurance> optInsurance = ...;
optInsurance.filter(insurance ->
                                            "CambridgeInsurance".equals(insurance.getName()))
                                            .ifPresent(x -> System.out.println("ok"));

Optional이 비어있다면 filter 연산은 아무동작도 하지 않는다.

예외와 Optional

Integer.parseInt(String)은 정적 메서드다. 이 메서드는 문자열을 정수로 바꾸지 못할 때 NumberFormatException을 발생시킨다. 즉, 문자열이 숫자가 아니라는 사실을 예외로 알리는 것이다. 기존에 값이 null일 수 있을 때는 if 문으로 null 여부를 확인했지만 예외를 발생시키는 메서드에서는 try/catch 블록을 사용해야 한다는 점이 다르다.

public static Optional<Integer> stringToInt(String s) {
    try {
        return Optional.of(Integer.parseInt(s));
    } catch (NumberFormatException e) {
        return Optional.empty();
    }
}

기존 자바 메서드 parseInt를 직접 고칠 수는 없지만 다름 코드처럼 parseInt를 감싸는 작은 유틸리티 메서드를 구현해서 Optional을 반환할 수 있다.

요약

역사적으로 프로그래밍 언어에서는 null 레퍼런스로 값이 없는 상황을 표현해왔다.
자바 8에서는 값이 있거나 없음을 표현할 수 있는 클래스 java.util.Optional를 제공한다.
팩토리 메서드 Optional.empty, Optional.of, Optional.ofNullable 등을 이용해서 Optional 객체를 만들 수 있다.
Optional 클래스는 스트림과 비슷한 연산을 수행하는 map, flatMap, filter 등의 메서드를 제공한다.
Optional로 값이 없는 상황을 적절하게 처리하도록 강제할 수 있다. 즉, Optional로 예상치 못한 null 예외를 방지할 수 있다.
Optional을 활용하면 더 좋은 API를 설계할 수 있다. 즉, 사용자는 메서드의 시그니처만 보고도 Optional값이 사용되거나 반환되는지 예측할 수 있다.

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