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[你必須知道的.NET]第二十一回：認識全面的null

發布日期：2008.7.31 作者：Anytao
? 2008 Anytao.com ，Anytao原創作品，轉貼請注明作者和出處。

說在，開篇之前

null、nullable、??運算符、null object模式，這些閃亮的概念在你眼前晃動，我們有理由相信“存在即合理”，事實上，null不光合理，而且重要。本文，從null的基本認知開始，逐層了解可空類型、??運算符和null object模式，在循序之旅中了解不一樣的null。 你必須知道的.NET，繼續全新體驗，分享更多色彩。                                                                                                                        www.anytao.com

1 從什么是null開始？

null，一個值得尊敬的數據標識。

一般說來，null表示空類型，也就是表示什么都沒有，但是“什么都沒有”并不意味“什么都不是”。實際上，null是如此的重要，以致于在JavaScript中，Null類型就作為5種基本的原始類型之一，與Undefined、Boolean、Number和String并駕齊驅。這種重要性同樣表現在.NET中，但是一定要澄清的是，null并不等同于0，""，string.Empty這些通常意義上的“零”值概念。相反，null具有實實在在的意義，這個意義就是用于標識變量引用的一種狀態，這種狀態表示沒有引用任何對象實例，也就是表示“什么都沒有”，既不是Object實例，也不是User實例，而是一個空引用而已。

在上述讓我都拗口抓狂的表述中，其實中心思想就是澄清一個關于null意義的無力訴說，而在.NET中null又有什么實際的意義呢？

在.NET中，null表示一個對象引用是無效的。作為引用類型變量的默認值，null是針對指針（引用）而言的，它是引用類型變量的專屬概念，表示一個引用類型變量聲明但未初始化的狀態，例如：

            object obj = null;

此時obj僅僅是一個保存在線程棧上的引用指針，不代表任何意義，obj未指向任何有效實例，而被默認初始化為null。

object obj和object obj = null的區別？

那么，object obj和object obj = null有實際的區別嗎？答案是：有。主要體現在編譯器的檢查上。默認情況下，創建一個引用類型變量時，CLR即將其初始化為null，表示不指向任何有效實例，所以本質上二者表示了相同的意義，但是有有所區別：

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            //編譯器檢測錯誤：使用未賦值變量obj

            //object obj;

            //編譯器理解為執行了初始化操作，所以不引發編譯時錯誤

            object obj = null;

            if (obj == null)

            {

                //運行時拋出NullReferenceException異常

                Console.WriteLine(obj.ToString());

            }

注：當我把這個問題拋給幾個朋友時，對此的想法都未形成統一的共識，幾位同志各有各的理解，也各有個的道理。當然，我也慎重的對此進行了一番探討和分析，但是并未形成完全100%確定性的答案。不過，在理解上我更傾向于自己的分析和判斷，所以在給出上述結論的基礎上，也將這個小小的思考留給大家來探討，好的思考和分析別忘了留給大家。事實上，將

        static void Main(string[] args)

        {

            object o;

            object obj = null;

        }

反編譯為IL時，二者在IL層還是存在一定的差別：

.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 

}

前者沒有發生任何附加操作；而后者通過ldnull指令推進一個空引用給evaluation stack，而stloc則將空引用保存。

回到規則

在.NET中，對null有如下的基本規則和應用：

• null為引用類型變量的默認值，為引用類型的概念范疇。
• null不等同于0，""，string.Empty。
• 引用is或as模式對類型進行判斷或轉換時，需要做進一步的null判斷。

快捷參考

關于is和as模式，可以參考《你必須知道的.NET》 7.5節“恩怨情仇：is和as” 第一回：恩怨情仇：is和as                                                                                                                        www.anytao.com

• 判斷一個變量是否為null，可以應用==或!=操作符來完成。
• 對任何值為nul的l變量操作，都會拋出NullReferenceException異常。

一直以來，null都是引用類型的特有產物，對值類型進行null操作將在編譯器拋出錯誤提示，例如：

            //拋出編譯時錯誤

            int i = null;  

            if (i == null)

            {

                Console.WriteLine("i is null.");

            }

正如示例中所示，很多情況下作為開發人員，我們更希望能夠以統一的方式來處理，同時也希望能夠解決實際業務需求中對于“值”也可以為“空”這一實際情況的映射。因此，自.NET 2.0以來，這一特權被新的System.Nullable<T>（即，可空值類型）的誕生而打破，解除上述詬病可以很容易以下面的方式被實現：

            //Nullable<T>解決了這一問題

            int? i = null;

            if (i == null)

            {

                Console.WriteLine("i is null.");

            }

你可能很奇怪上述示例中并沒有任何Nullable的影子，實際上這是C#的一個語法糖，以下代碼在本質上是完全等效的：

            int? i = null;

            Nullable<int> i = null;

顯然，我們更中意以第一種簡潔而優雅的方式來實現我們的代碼，但是在本質上Nullable<T>和T?他們是一路貨色。

可空類型的偉大意義在于，通過Nullable<T>類型，.NET為值類型添加“可空性”，例如Nullable<Boolean>的值就包括了true、false和null，而Nullable<Int32>則表示值即可以為整形也可以為null。同時，可空類型實現了統一的方式來處理值類型和引用類型的“空”值問題，例如值類型也可以享有在運行時以NullReferenceException異常來處理。

另外，可空類型是內置于CLR的，所以它并非c#的獨門絕技，VB.NET中同樣存在相同的概念。

Nullable的本質（IL）

那么我們如何來認識Nullable的本質呢？當你聲明一個：

            Nullable<Int32> count = new Nullable<Int32>();

時，到底發生了什么樣的過程呢？我們首先來了解一下Nullable在.NET中的定義：

    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);

    }

根據上述定義可知，Nullable本質上仍是一個struct為值類型，其實例對象仍然分配在線程棧上。其中的value屬性封裝了具體的值類型，Nullable<T>進行初始化時，將值類型賦給value，可以從其構造函數獲知：

        public Nullable(T value)

        {

            this.value = value;

            this.hasValue = true;

        }

同時Nullable<T>實現相應的Equals、ToString、GetHashCode方法，以及顯式和隱式對原始值類型與可空類型的轉換。因此，在本質上Nullable可以看著是預定義的struct類型，創建一個Nullable<T>類型的IL表示可以非常清晰的提供例證，例如創建一個值為int型可空類型過程，其IL可以表示為：

    .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 

    }

對于可空類型，同樣需要必要的小結：

• 可空類型表示值為null的值類型。
• 不允許使用嵌套的可空類型，例如Nullable<Nullable<T>> 。
• Nullable<T>和T?是等效的。
• 對可空類型執行GetType方法，將返回類型T，而不是Nullable<T>。
• c#允許在可空類型上執行轉換和轉型，例如：

            int? a = 100;

            Int32 b = (Int32)a;

            a = null;

• 同時為了更好的將可空類型于原有的類型系統進行兼容，CLR提供了對可空類型裝箱和拆箱的支持。

3 ??運算符

在實際的程序開發中，為了有效避免發生異常情況，進行null判定是經常發生的事情，例如對于任意對象執行ToString()操作，都應該進行必要的null檢查，以免發生不必要的異常提示，我們常常是這樣實現的：

            object obj = new object();

            string objName = string.Empty;

            if (obj != null)

            {

                objName = obj.ToString();

            }

            Console.WriteLine(objName);

然而這種實現實在是令人作嘔，滿篇的if語句總是讓人看著渾身不適，那么還有更好的實現方式嗎，我們可以嘗試（? :）三元運算符：

            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義類型對象，你可以通過覆寫ToString方法來輸出你想要輸出的結果，因為上述實現是如此的頻繁，所以.NET 3.0中提供了新的操作運算符來簡化null值的判斷過程，這就是：??運算符。上述過程可以以更加震撼的代碼表現為：

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            object obj = null;

            string objName = (obj ?? string.Empty).ToString();

            Console.WriteLine(objName);

那么??運算符的具體作用是什么呢？

??運算符，又稱為null-coalescing operator，如果左側操作數為null，則返回右側操作數的值， 如果不為null則返回左側操作數的值。它既可以應用于可空類型，有可以應用于引用類型。

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4 Nulll Object模式

模式之于設計，正如秘笈之于功夫。正如我們前文所述，null在程序設計中具有舉足輕重的作用，因此如何更優雅的處理“對象為空”這一普遍問題，大師們提出了Null Object Pattern概念，也就是我們常說的Null Object模式。例如Bob大叔在《敏捷軟件開發--原則、模式、實踐》一書，Martin Fowler在《Refactoring: Improving the Design of Existing Code》一書，都曾就Null Object模式展開詳細的討論，可見23中模式之外還是有很多設計精髓，可能稱為模式有礙經典。但是仍然值得我們挖據、探索和發現。
下面就趁熱打鐵，在null認識的基礎上，對null object模式進行一點探討，研究null object解決的問題，并提出通用的null object應用方式。
解決什么問題？
簡單來說，null object模式就是為對象提供一個指定的類型，來代替對象為空的情況。說白了就是解決對象為空的情況，提供對象“什么也不做”的行為，這種方式看似無聊，但卻是很聰明的解決之道。舉例來說，一個User類型對象user需要在系統中進行操作，那么典型的操作方式是：

            if (user != null)

            {

                manager.SendMessage(user);

            }

這種類似的操作，會遍布于你的系統代碼，無數的if判斷讓優雅遠離了你的代碼，如果大意忘記null判斷，那么只有無情的異常伺候了。于是，Null object模式就應運而生了，對User類實現相同功能的NullUser類型，就可以有效的避免繁瑣的if和不必要的失誤：

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    public class NullUser : IUser

    {

        public void Login()

        {

            //不做任何處理

        }

        public void GetInfo() { }

        public bool IsNull

        {

            get { return true; }

        }

    }

IsNull屬性用于提供統一判定null方式，如果對象為NullUser實例，那么IsNull一定是true的。

那么，二者的差別體現在哪兒呢？其實主要的思路就是將null value轉換為null object，把對user == null這樣的判斷，轉換為user.IsNull雖然只有一字之差，但是本質上是完全兩回事兒。通過null object模式，可以確保返回有效的對象，而不是沒有任何意義的null值。同時，“在執行方法時返回null object而不是null值，可以避免NullReferenceExecption異常的發生。”，這是來自Scott Dorman的聲音。

通用的null object方案

下面，我們實現一種較為通用的null object模式方案，并將其實現為具有.NET特色的null object，所以我們采取實現.NET中INullable接口的方式來實現，INullable接口是一個包括了IsNull屬性的接口，其定義為：

    public interface INullable

    {

        // Properties

        bool IsNull { get; }

    }

仍然以User類為例，實現的方案可以表達為：

圖中僅僅列舉了簡單的幾個方法或屬性，旨在達到說明思路的目的，其中User的定義為：

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    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; }

        }

    }

而對應的NullUser，其定義為：

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    public class NullUser : IUser

    {

        public void Login()

        {

            //不做任何處理

        }

        public void GetInfo() { }

        public bool IsNull

        {

            get { return true; }

        }

    }

同時通過UserManager類來完成對User的操作和管理，你很容易思考通過關聯方式，將IUser作為UserManger的屬性來實現，基于對null object的引入，實現的方式可以為：

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    // Release     : 2008/07/31 1.0

    class UserManager

    {

        private IUser user = new User();

        public IUser User

        {

            get { return user; }

            set

            {

                user = value ?? new NullUser();

            }

        }

    }

當然有效的測試是必要的：

        public static void Main()

        {

            UserManager manager = new UserManager();

            //強制為null

            manager.User = null;

            //執行正常

            manager.User.Login();

            if (manager.User.IsNull)

            {

                Console.WriteLine("用戶不存在，請檢查。");

            }

        }

通過強制將User屬性實現為null，在調用Login時仍然能夠保證系統的穩定性，有效避免對null的判定操作，這至少可以讓我們的系統少了很多不必要的判定代碼。

詳細的代碼可以通過本文最后的下載空間進行下載。實際上，可以通過引入Facotry Method模式來構建對于User和NullUser的創建工作，這樣就可以完全消除應用if進行判斷的僵化，不過那是另外一項工作罷了。

當然，這只是null object的一種實現方案，在此對《Refactoring》一書的示例進行改良，完成更具有.NET特色的null object實現，你也可以請NullUser繼承Use并添加相應的IsNull判定屬性來完成。

借力c# 3.0的Null object

在C# 3.0中，Extension Method（擴展方法）對于成就LINQ居功至偉，但是Extension Method的神奇遠不是止于LINQ。在實際的設計中，靈活而巧妙的應用，同樣可以給你的設計帶來意想不到的震撼，以上述User為例我們應用Extension Method來取巧實現更簡潔IsNull判定，代替實現INullable接口的方法而采用更簡單的實現方式。重新構造一個實現相同功能的擴展方法，例如：

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    // Release     : 2008/07/31 1.0

    public static class UserExtension

    {

        public static bool IsNull(this User user)

        {

            return null == user;

        }

    }

null object模式的小結

• 有效解決對象為空的情況，為值為null提供可靠保證。
• 保證能夠返回有效的默認值，例如在一個IList<User> userList中，能夠保證任何情況下都有有效值返回，可以保證對userList操作的有效性，例如：

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        // Release     : 2008/07/31 1.0

        public void SendMessageAll(List<User> userList)

        {

            //不需要對userList進行null判斷

            foreach (User user in userList)

            {

                user.SendMessage(); 

            }

        }

• 提供統一判定的IsNull屬性。可以通過實現INullable接口，也可以通過Extension Method實現IsNull判定方法。
• null object要保持原object的所有成員的不變性，所以我們常常將其實現為Sigleton模式。
• Scott Doman說“在執行方法時返回null object而不是null值，可以避免NullReferenceExecption異常的發生”，這完全是對的。

5 結論

雖然形色匆匆，但是通過本文你可以基本了解關于null這個話題的方方面面，堆積到一起就是對一個概念清晰的把握和探討。技術的魅力，大概也正是如此而已吧，色彩斑斕的世界里，即便是“什么都沒有”的null，在我看來依然有很多很多。。。值得探索、思考和分享。

還有更多的null，例如LINQ中的null，SQL中的null，仍然可以進行探討，我們將這種思考繼續，所收獲的果實就越多。

Anytao | 2008-07-31 | 你必須知道的.NET

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參考文獻

（Book）Martin Fowler，Refactoring: Improving the Design of Existing Code

（cnblogs）zhuweisky，使用Null Object設計模式

（blogs）Scott Dorman，Null Object pattern

溫故知新

[開篇有益]
[第一回：恩怨情仇：is和as]
[第二回：對抽象編程：接口和抽象類]
[第三回：歷史糾葛：特性和屬性]
[第四回：后來居上：class和struct]
[第五回：深入淺出關鍵字---把new說透]
[第六回：深入淺出關鍵字---base和this]
[第七回：品味類型---從通用類型系統開始]
[第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內存有理]
[第九回：品味類型---值類型與引用類型（中）－規則無邊]
[第十回：品味類型---值類型與引用類型（下）－應用征途]
[第十一回：參數之惑---傳遞的藝術（上）]
[第十二回：參數之惑---傳遞的藝術（下）]
[第十三回：從Hello, world開始認識IL]
[第十四回：認識IL代碼---從開始到現在]
[第十五回：繼承本質論]
[第十六回：深入淺出關鍵字---using全接觸]
[第十七回：貌合神離：覆寫和重載]
[第十八回：對象創建始末（上）]
[第十九回：對象創建始末（下）]
[第二十回：學習方法論]

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