Java 8 Optional 类实战：从根源杜绝空指针异常的优雅方案
在 Java 开发中，NullPointerException（空指针异常）是最常见的运行时异常之一 —— 据统计，约 30% 的线上故障与空指针相关。传统的 “if-null 判断” 虽然能规避空指针，但会导致代码嵌套层级过深（被戏称为 “if-else 地狱”），可读性与可维护性大幅下降。Java 8 引入的Optional类，通过 “容器化封装” 与 “链式调用”，从语法层面提供了空值处理的优雅方案，彻底改变了空值判断的代码风格。本文将从空指针的痛点出发，详解 Optional 的核心原理、常用方法、避坑指南及业务场景落地，帮你真正掌握 “无空指针” 的编码技巧。
一、为什么需要 Optional？—— 空指针的痛点与传统方案的局限
在理解 Optional 之前，我们首先要明确：空指针异常的本质是 “对 null 对象调用方法或访问属性”。例如，当user.getAddress().getCity()中的user或address为 null 时，就会抛出NullPointerException。传统的解决方案是添加层层 if 判断，但这种方式存在诸多问题。
1.1 传统空值判断的 3 大痛点
痛点 1：代码嵌套过深，可读性差
为了避免空指针，需要对每个可能为 null 的对象添加 if 判断，导致代码嵌套层级急剧增加。例如，要获取 “用户的订单的商品的分类名称”，传统代码如下：
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// 传统空值判断：4层嵌套，可读性差
public String getProductCategoryName(User user) {
if (user != null) { // 判断用户是否为null
List<Order> orders = user.getOrders();
if (orders != null && !orders.isEmpty()) { // 判断订单列表是否为null且非空
Order order = orders.get(0);
if (order != null) { // 判断订单是否为null
Product product = order.getProduct();
if (product != null) { // 判断商品是否为null
Category category = product.getCategory();
if (category != null) { // 判断分类是否为null
return category.getName();
}
}
}
}
}
return "默认分类"; // 所有环节都为null时返回默认值
}
这段代码中，核心逻辑 “获取分类名称” 被 5 层 if 判断包裹，代码冗长且难以快速定位核心业务逻辑，维护时极易遗漏某个 null 判断。
痛点 2：代码冗余，重复判断
在多个地方需要获取同一类对象的属性时，会出现大量重复的 null 判断代码。例如，在订单详情页和用户中心都需要获取 “用户的收货地址城市”，就需要重复编写 “判断 user 是否为 null→判断 address 是否为 null” 的逻辑，导致代码冗余。
痛点 3：null 的语义不明确
null本身没有明确的语义 —— 它既可能表示 “对象不存在”（如未查询到用户），也可能表示 “对象存在但属性未设置”（如用户存在但未填写地址）。这种语义模糊会导致后续逻辑难以判断空值的真实原因，增加调试难度。
1.2 Optional 的核心价值
Optional 类通过 “将可能为 null 的对象封装为 Optional 容器”，从根本上解决了传统方案的痛点，其核心价值可概括为 3 点：
- 消除嵌套判断：通过链式调用替代层层 if 嵌套，核心逻辑一目了然；
- 强制空值处理：Optional 的方法设计强制开发者处理空值场景（如指定默认值、抛出异常），避免遗漏判断；
- 明确语义：Optional 容器本身就表示 “对象可能存在也可能不存在”，语义清晰，无需额外注释说明。
用 Optional 重写上述 “获取商品分类名称” 的逻辑，代码会变得异常简洁：
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// Optional方案：链式调用，无嵌套判断
public String getProductCategoryName(User user) {
return Optional.ofNullable(user) // 封装可能为null的user
.map(User::getOrders) // 提取订单列表，若user为null则跳过
.filter(orders -> !orders.isEmpty()) // 过滤空订单列表
.map(orders -> orders.get(0)) // 提取第一个订单
.map(Order::getProduct) // 提取商品
.map(Product::getCategory) // 提取分类
.map(Category::getName) // 提取分类名称
.orElse("默认分类"); // 所有环节为null时返回默认值
}
这段代码中，核心逻辑通过map()、filter()等方法链式调用，无任何嵌套 if 判断，代码可读性与维护性大幅提升，且强制处理了空值场景（orElse()指定默认值）。
二、Optional 的核心原理：容器化封装与惰性执行
要真正掌握 Optional，必须理解其 “容器化封装” 和 “惰性执行” 的底层原理，这是 Optional 区别于传统空值判断的关键。
2.1 Optional 的本质：可能为 null 的对象容器
Optional 类本质是一个 “容器”，它包含两种状态：
- 存在值（Present）：容器中封装了非 null 的对象；
- 空值（Empty）：容器中没有对象（对应传统的 null，但本身不是 null）。
Optional 类的构造方法被设计为私有，无法直接通过new Optional()创建实例，只能通过以下 3 个静态方法创建：
- Optional.of(T value)：创建包含非 null 值的 Optional 容器，若 value 为 null 则抛出NullPointerException；
- Optional.ofNullable(T value)：创建可能包含 null 值的 Optional 容器，若 value 为 null 则返回 Empty 状态的 Optional；
- Optional.empty()：创建空值状态的 Optional 容器（等价于Optional.ofNullable(null)）。
示例：创建 Optional 容器
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Optional<User> emptyOptional = Optional.empty(); // 等价于Optional.ofNullable(null)
// 判断Optional的状态
System.out.println("userOptional1是否存在值：" + userOptional1.isPresent()); // true
System.out.println("userOptional2是否存在值：" + userOptional2.isPresent()); // false
System.out.println("emptyOptional是否为空：" + emptyOptional.isEmpty()); // true（Java 11+新增方法）
}
// 用户实体类
static class User {
private String name;
private int age;
public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
// getter/setter
public String getName() { return name; }
public void setName(String name) { this.name = name; }
public int getAge() { return age; }
public void setAge(int age) { this.age = age; }
}
}
2.2 惰性执行：中间操作不触发计算
Optional 的map()、filter()等方法属于 “中间操作”，它们具有 “惰性执行” 的特性 —— 即仅记录操作逻辑，不立即执行，直到调用orElse()、get()等 “终止操作” 时才触发整个链式流程的计算。
示例：惰性执行特性验证
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执行结果
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最终姓名：默认姓名
从结果可见，由于user为 null，map()和filter()中的打印语句并未执行 —— 这就是惰性执行的体现。只有当调用orElse()时，Optional 才会从左到右遍历链式操作，若某个环节返回 Empty，则后续操作全部跳过，直接返回默认值。
三、Optional 的核心方法：从创建到结果处理的全流程
Optional 提供了丰富的方法用于空值处理，按功能可分为 “创建方法”“中间操作方法”“终止操作方法” 三类。掌握这些方法的使用场景，是灵活运用 Optional 的基础。
3.1 1. 创建方法（3 个核心）
方法 | 作用 | 适用场景 | 注意事项 |
Optional.of(T value) | 创建非 null 值的 Optional | 明确知道 value 非 null（如新建对象） | value 为 null 时抛出NullPointerException |
Optional.ofNullable(T value) | 创建可能为 null 的 Optional | 不确定 value 是否为 null（如数据库查询结果） | 推荐优先使用，兼容性最强 |
Optional.empty() | 创建空值 Optional | 明确返回空值（如方法无结果时） | 等价于Optional.ofNullable(null)，但语义更清晰 |
3.2 2. 中间操作方法（4 个常用）
中间操作方法返回新的 Optional，支持链式调用，且具有惰性执行特性。
（1）map(Function<? super T, ? extends U> mapper)：提取对象属性
- 作用：若 Optional 为 Present 状态，将容器中的对象通过 mapper 函数转换为另一种类型，返回新的 Optional；若为 Empty 状态，直接返回 Empty。
- 场景：提取对象的属性（如从 User 提取 name、从 Order 提取 Product）。
示例：提取用户的订单列表
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Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(getUserById(1L));
// 提取用户的订单列表，若user为null则返回Empty
Optional<List<Order>> ordersOptional = userOptional.map(User::getOrders);
（2）flatMap(Function<? super T, Optional<U>> mapper)：提取嵌套 Optional 属性
- 作用：若 Optional 为 Present 状态，mapper 函数返回的是 Optional，flatMap 会 “展开” 这个嵌套的 Optional，返回 U 类型的 Optional；若为 Empty 状态，直接返回 Empty。
- 场景：当提取的属性本身就是 Optional 类型时（如方法返回 Optional），避免出现 Optional<Optional> 的嵌套。
示例：提取用户的地址（地址方法返回 Optional）
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// 假设User的getAddress()方法返回Optional<Address>
Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(getUserById(1L));
// 用flatMap展开嵌套的Optional，避免Optional<Optional<Address>>
Optional<Address> addressOptional = userOptional.flatMap(User::getAddress);
// 若用map，会得到Optional<Optional<Address>>，需额外处理
Optional<Optional<Address>> nestedAddressOptional = userOptional.map(User::getAddress);
（3）filter(Predicate<? super T> predicate)：过滤符合条件的对象
- 作用：若 Optional 为 Present 状态且对象满足 predicate 条件，返回原 Optional；若不满足条件或为 Empty 状态，返回 Empty。
- 场景：筛选符合业务条件的对象（如过滤成年用户、非空订单列表）。
示例：过滤成年用户
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Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(getUserById(1L));
// 筛选年龄≥18的用户，若用户为null或年龄<18，返回Empty
Optional<User> adultUserOptional = userOptional.filter(user -> user.getAge() >= 18);
（4）ifPresent(Consumer<? super T> action)：消费存在的对象
- 作用：若 Optional 为 Present 状态，执行 action 消费对象；若为 Empty 状态，不执行任何操作。
- 场景：当对象存在时执行某些副作用操作（如打印日志、更新缓存），且无需返回值。
示例：用户存在时打印日志
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Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(getUserById(1L));
// 若用户存在，打印用户信息；若不存在，不执行
userOptional.ifPresent(user -> System.out.printf("用户存在：%s，年龄：%d%n", user.getName(), user.getAge()));
3.3 3. 终止操作方法（5 个核心）
终止操作方法触发链式流程的计算，返回非 Optional 类型的结果（或抛出异常），且 Optional 对象不可再重复使用。
（1）orElse(T other)：空值时返回默认值
- 作用：若 Optional 为 Present 状态，返回容器中的对象；若为 Empty 状态，返回指定的默认值 other。
- 注意事项：无论 Optional 是否为 Present 状态，other 都会被提前创建（若 other 是新建对象，会产生不必要的开销）。
示例：获取用户名，空值时返回默认值
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Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(getUserById(1L));
// 若用户存在，返回用户名；若不存在，返回"未知用户"
String userName = userOptional.map(User::getName).orElse("未知用户");
（2）orElseGet(Supplier<? extends T> supplier)：空值时通过 Supplier 生成默认值
- 作用：若 Optional 为 Present 状态，返回容器中的对象；若为 Empty 状态，调用 supplier 生成默认值并返回。
- 优势：supplier 是惰性执行的，只有当 Optional 为 Empty 时才会调用，避免不必要的对象创建（推荐优先使用，性能更优）。
示例：空值时生成默认用户（惰性创建）
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Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(getUserById(1L));
// 若用户不存在，通过Supplier创建默认用户（仅在空值时执行）
User defaultUser = userOptional.orElseGet(() -> new User("默认用户", 0));
（3）orElseThrow(Supplier<? extends X> exceptionSupplier)：空值时抛出指定异常
- 作用：若 Optional 为 Present 状态，返回容器中的对象；若为 Empty 状态，调用 exceptionSupplier 生成异常并抛出。
- 场景：空值属于业务异常场景（如 “用户不存在” 需抛出UserNotFoundException），而非返回默认值。
示例：用户不存在时抛出异常
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（4）get()：直接获取对象（不推荐）
- 作用：若 Optional 为 Present 状态，返回容器中的对象；若为 Empty 状态，抛出NoSuchElementException。
- 风险：使用get()前必须确保 Optional 为 Present 状态（需配合isPresent()判断），否则会抛出异常，本质上与传统的 null 判断无区别，不推荐直接使用。
反例：直接使用 get ()（风险高）
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正确用法：配合 isPresent () 判断（不推荐，不如用 orElseThrow）
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（5）ifPresentOrElse(Consumer<? super T> action, Runnable emptyAction)：存在时消费，空值时执行备选逻辑
- 作用：Java 9 + 新增方法，若 Optional 为 Present 状态，执行 action 消费对象；若为 Empty 状态，执行 emptyAction 备选逻辑。
- 场景：需要同时处理 “对象存在” 和 “对象不存在” 两种场景，且无需返回值。
示例：用户存在时更新缓存，不存在时记录日志
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Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(getUserById(1L));
// 存在时更新缓存，不存在时记录日志
userOptional.ifPresentOrElse(
user -> cacheService.updateUserCache(user), // 存在时执行
() -> logger.warn("用户ID=1不存在，未更新缓存") // 空值时执行
);
四、Optional 的实战场景：从业务需求到代码落地
Optional 在实际开发中应用广泛，本节将结合 4 个典型业务场景（用户信息查询、订单数据处理、DTO 转换、集合操作），展示从需求分析到 Optional 代码实现的完整过程。
4.1 场景 1：用户信息查询与默认值处理
需求：根据用户 ID 查询用户信息，若用户存在，返回用户的 “姓名 - 年龄” 拼接字符串；若用户不存在或姓名为 null，返回 “未知用户 - 0 岁”。
传统方案（嵌套 if）
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public String getUserInfo(Long userId) {
User user = userDao.getUserById(userId);
if (user != null) {
String name = user.getName();
if (name != null && !name.isEmpty()) {
return name + "-" + user.getAge() + "岁";
} else {
return "未知用户-" + user.getAge() + "岁";
}
} else {
return "未知用户-0岁";
}
}
Optional 方案（链式调用）
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优化：提取姓名处理逻辑（更简洁）
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4.2 场景 2：订单数据处理与异常抛出
需求：根据订单 ID 查询订单详情，若订单不存在，抛出OrderNotFoundException；若订单存在但未支付（状态为UNPAID），抛出OrderUnpaidException；若订单存在且已支付，返回订单的支付金额。
传统方案（多层 if-else）
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Optional 方案（链式调用 + 异常抛出）
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代码解析：
- Optional.ofNullable(order)：封装可能为 null 的订单；
- orElseThrow()：订单为 null 时抛出 “订单不存在” 异常；
- filter()：过滤掉未支付的订单，若订单未支付则返回 Empty；
- 第二个orElseThrow()：订单未支付时抛出 “订单未支付” 异常；
- getAmount()：此时订单一定存在且已支付，安全获取金额（无需额外判断）。
4.3 场景 3：DTO 与实体类转换（处理嵌套 null）
需求：将Order实体类转换为OrderDTO，其中Order包含Product属性，Product包含Category属性。转换规则：
- 若Order为 null，返回 null；
- 若Product为 null，OrderDTO的productName设为 “未知商品”；
- 若Category为 null，OrderDTO的categoryName设为 “未知分类”。
传统方案（多层 null 判断）
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Optional 方案（链式调用 + 嵌套处理）
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代码解析：
- 用Optional.ofNullable(order)处理订单 null 的情况；
- 提取buildOrderDTO()方法，专注于非 null 订单的转换逻辑；
- 用Optional分别处理productName和categoryName的 null 值，避免嵌套 if 判断；
- 处理category时，由于product可能为 null，用flatMap()展开嵌套的Optional<Category>。
4.4 场景 4：集合中的 Optional 处理
需求：从用户列表中筛选出成年用户（年龄≥18），提取他们的邮箱地址，若邮箱为 null 或为空，排除该用户，最终返回非空邮箱列表。
传统方案（循环 + if 判断）
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public List<String> getAdultUserEmails(List<User> userList) {
List<String> emails = new ArrayList<>();
if (userList == null || userList.isEmpty()) {
return emails;
}
for (User user : userList) {
if (user != null && user.getAge() >= 18) {
String email = user.getEmail();
if (email != null && !email.isEmpty()) {
emails.add(email);
}
}
}
return emails;
}
Optional+Stream 方案（链式调用）
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代码解析：
- Optional.ofNullable(userList).stream()：处理 List 为 null 的情况，返回空 Stream；
- flatMap()：将Optional<String>（邮箱）转换为 Stream，若邮箱为 null 或空，返回空 Stream，避免收集到 null 值；
- 整个流程无任何显式 if 判断，通过 Stream 和 Optional 的结合，代码更简洁且安全。
五、Optional 的常见误区与避坑指南
虽然 Optional 能优雅处理空值，但在使用不当的情况下，仍可能导致代码冗余、性能问题甚至空指针异常。以下是 6 个常见误区及避坑建议：
5.1 误区 1：用 Optional 封装 null 对象（无意义）
错误示例：
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// 错误：将null封装为Optional，再用ofNullable判断，完全多余
Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(null);
if (userOptional.isPresent()) {
// 永远不会执行
}
避坑建议：
- 若明确对象为 null，直接使用Optional.empty()创建空容器，或直接返回默认值，无需额外封装；
- Optional 的核心价值是处理 “可能为 null 的对象”，而非 “明确为 null 的对象”。
5.2 误区 2：过度使用 Optional（如方法返回 Optional <基本类型>）
错误示例：
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// 错误：返回Optional<int>，基本类型的Optional无意义（Java 8无基本类型Optional，需装箱为Integer）
public Optional<Integer> getUserId(User user) {
return Optional.ofNullable(user).map(User::getId);
}
避坑建议：
- 基本类型（int、long、double）建议使用 Java 8 提供的OptionalInt、OptionalLong、OptionalDouble，避免自动装箱的性能开销；
- 若方法返回值是 “必须存在的基本类型”（如用户 ID 一定存在），不建议返回 Optional，直接返回基本类型即可。
正确示例：
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// 正确：使用OptionalInt处理基本类型
public OptionalInt getUserId(User user) {
return Optional.ofNullable(user)
.mapToInt(User::getId) // 转换为IntStream
.findFirst(); // 返回OptionalInt
}
5.3 误区 3：用 Optional 替代集合的空判断
错误示例：
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// 错误：用Optional封装List，判断是否为空，不如直接判断List
public List<User> getAdultUsers(List<User> userList) {
return Optional.ofNullable(userList)
.orElse(new ArrayList<>())
.stream()
.filter(user -> user.getAge() >= 18)
.collect(Collectors.toList());
}
避坑建议：
- 集合（List、Map、Set）的空判断建议直接使用CollectionUtils.isEmpty()（Apache Commons 工具类）或list == null || list.isEmpty()，代码更简洁；
- Optional 更适合处理 “单个对象的 null”，而非 “集合的空”。
正确示例：
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import org.apache.commons.collections4.CollectionUtils;
public List<User> getAdultUsers(List<User> userList) {
if (CollectionUtils.isEmpty(userList)) {
return new ArrayList<>();
}
return userList.stream()
.filter(user -> user.getAge() >= 18)
.collect(Collectors.toList());
}
5.4 误区 4：滥用 orElse () 导致不必要的对象创建
错误示例：
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避坑建议：
- 若默认值是 “需要创建的对象”（如 new User ()），优先使用orElseGet()，避免不必要的对象创建；
- 若默认值是 “常量”（如 "未知用户"），orElse()和orElseGet()均可使用，差异不大。
正确示例：
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5.5 误区 5：在类的属性中使用 Optional
错误示例：
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// 错误：在User类的属性中使用Optional，违反JavaBean规范
class User {
private String name;
private Optional<Integer> age; // 不推荐：属性使用Optional
// getter/setter会变得复杂
public Optional<Integer> getAge() {
return age;
}
public void setAge(Optional<Integer> age) {
this.age = age;
}
}
避坑建议：
- Optional 的设计初衷是 “方法返回值的空值处理”，而非 “类属性的存储”；
- 在类属性中使用 Optional 会违反 JavaBean 规范，导致 JSON 序列化 / 反序列化异常（如 Jackson 默认无法序列化 Optional 属性），且增加属性操作的复杂度。
正确示例：
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// 正确：属性使用基本类型或包装类，null通过方法返回时用Optional处理
class User {
private String name;
private Integer age; // 允许为null
// 方法返回时用Optional处理空值
public Optional<Integer> getAgeOptional() {
return Optional.ofNullable(age);
}
// 普通getter，供内部使用
public Integer getAge() {
return age;
}
}
5.6 误区 6：忽略 Optional 的异常处理（用 get () 前不判断）
错误示例：
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// 错误：直接调用get()，未处理Empty状态，可能抛出NoSuchElementException
public String getUserName(Long userId) {
Optional<User> userOptional = Optional.ofNullable(userDao.getUserById(userId));
// 风险：若user为null，抛出异常
return userOptional.map(User::getName).get();
}
避坑建议：
- 永远不要直接调用get()，除非能 100% 确保 Optional 为 Present 状态；
- 优先使用orElse()、orElseGet()、orElseThrow()处理空值场景，强制覆盖所有可能的状态。
正确示例：
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public String getUserName(Long userId) {
return Optional.ofNullable(userDao.getUserById(userId))
.map(User::getName)
.orElse("未知用户"); // 明确处理空值
}
六、总结与最佳实践
Optional 类是 Java 8 为空值处理提供的优雅解决方案，它通过 “容器化封装” 和 “链式调用”，消除了传统的嵌套 if 判断，强制开发者处理空值场景，从根源上减少了空指针异常的发生。但 Optional 并非 “万能药”，需在合适的场景中合理使用，才能发挥其最大价值。
6.1 核心要点总结
- 本质：Optional 是 “可能为 null 的对象容器”，包含 Present 和 Empty 两种状态，本身永远不为 null；
- 方法分类：创建方法（of/ofNullable/empty）、中间操作（map/flatMap/filter）、终止操作（orElse/orElseGet/orElseThrow）；
- 核心优势：消除嵌套判断、强制空值处理、明确语义；
- 适用场景：方法返回值的空值处理、对象属性的链式提取、业务异常的优雅抛出。
6.2 最佳实践建议
- 方法返回值优先用 Optional：若方法返回的对象 “可能为 null”（如数据库查询结果），优先返回 Optional，明确告知调用者需处理空值；
- ** 优先使用 orElseGet () 替代 or