三元表達(dá)式引發(fā)的空指針問(wèn)題分析

屬實(shí)刺激，剛?cè)肼毑痪镁陀龅竭@種史詩(shī)級(jí)的線上 Bug，首頁(yè)直接崩潰，陳年老代碼爆雷，不管落到最后的底層原因是什么，我感覺(jué)主要還是上下游的鏈路太過(guò)復(fù)雜，治理難度比較大，牽一發(fā)而動(dòng)全身。

知識(shí)回顧

三目運(yùn)算符大家都很熟悉了：

<表達(dá)式1>?<表達(dá)式2>:<表達(dá)式3>

我習(xí)慣稱為三元表達(dá)式，需要注意的就是：一個(gè)三元表達(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(shuō)，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。

再來(lái)回顧下自動(dòng)拆箱和裝箱機(jī)制，Java 通過(guò)這種機(jī)制使得包裝類和基本數(shù)據(jù)類型之間的轉(zhuǎn)換更加方便：

裝箱：將基本數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成包裝類（每個(gè)包裝類的構(gòu)造方法都可以接收各自數(shù)據(jù)類型的變量）。

拆箱：從包裝類之中取出被包裝的基本類型數(shù)據(jù)（使用包裝類的 xxxValue 方法）。

下面以 Integer 為例，我們來(lái)看看 Java 內(nèi)置的包裝類是如何進(jìn)行拆裝箱的：

Integerobj=newInteger(10);//裝箱
inttemp=obj.intValue();//拆箱

這種形式的代碼是 JDK 1.5 以前的，JDK 1.5 之后，Java 設(shè)計(jì)者為了方便開(kāi)發(fā)提供了自動(dòng)裝箱（Autoboxing）與自動(dòng)拆箱的機(jī)制，并且可以直接利用包裝類的對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。

還是以 Integer 為例，我們來(lái)看看自動(dòng)拆裝箱的過(guò)程：

Integerobj=10;//自動(dòng)裝箱.基本數(shù)據(jù)類型int->包裝類Integer
inttemp=obj;//自動(dòng)拆箱.Integer->int
obj++;//直接利用包裝類的對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算
System.out.println(temp*obj);

基本數(shù)據(jù)類型到包裝類的轉(zhuǎn)換，不需要像上面一樣使用構(gòu)造函數(shù)，直接 = 就完事兒；同樣的，包裝類到基本數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，也不需要我們手動(dòng)調(diào)用包裝類的 xxxValue 方法了，直接 = 就能完成拆箱。這也是將它們稱之為自動(dòng)的原因。

我們來(lái)看看這段代碼反編譯后的文件，底層到底是什么原理：

Integerobj=Integer.valueOf(10);
inttemp=obj.intValue();

可以看見(jiàn)，自動(dòng)裝箱的底層原理其實(shí)就是調(diào)用了包裝類的 valueOf 方法，而自動(dòng)拆箱的底層同樣還是調(diào)用了包裝類的 intValue() 方法。

問(wèn)題重現(xiàn)

實(shí)際的代碼業(yè)務(wù)邏輯比較復(fù)雜，這里我們舉一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)的例子先來(lái)重現(xiàn)下這個(gè)問(wèn)題：

//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
booleanflag=true;
//定義一個(gè)包裝類對(duì)象類型的Boolean變量，值為null
BooleannullBoolean=null;
//定義一個(gè)基本數(shù)據(jù)類型的boolean變量
booleansimpleBoolean=false;

//使用三目運(yùn)算符并給x變量賦值
booleanx=flag?nullBoolean:simpleBoolean;

以上代碼，在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)拋出 NPE：

Exceptioninthread"main"java.lang.NullPointerException

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

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：

booleanflag=true;
booleansimpleBoolean=false;
BooleannullBoolean=null;

booleanx=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（nullBoolean 是包裝類，而 x 是基本類型），而 nullBoolean 是 null，這就出現(xiàn)了 null.booleanValue，從而拋出 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，是Java 語(yǔ)言規(guī)范，是一切 Java 編程的基礎(chǔ)參照文檔）的第 15.25 章節(jié)中是有相關(guān)介紹的。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），原文地址 -> https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se7/html/jls-15.html#jls-15.25：

看我框出來(lái)的兩句話：

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. 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。

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. 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(guò)度感知這個(gè)規(guī)則，所以在編譯過(guò)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。

理解下這句話，JLS 的規(guī)范是如果第二和第三位操作數(shù)分別是基本類型和包裝類型，那么要求返回值是基本類型。那如果你自己寫(xiě)的代碼返回值是包裝類型，那么編譯器為了滿足 JLS 規(guī)范，其實(shí)是會(huì)自動(dòng)做一個(gè)拆箱的。

簡(jiǎn)單總結(jié)：只要表達(dá)式 1 和表達(dá)式 2 的類型有一個(gè)是基本類型一個(gè)是包裝類型，就會(huì)做觸發(fā)類型對(duì)齊的拆箱操作。

下面再列舉幾個(gè)例子加深下理解：

booleanflag=true;
booleansimpleBoolean=false;
BooleanobjectBoolean=Boolean.FALSE;

當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式都是包裝類，表達(dá)式返回值也為包裝類，編譯器不需要做拆箱操作：

Booleanx1=flag?objectBoolean:objectBoolean;

//反編譯后代碼（不需要做任何特殊操作）
Booleanx1=flag?objectBoolean:objectBoolean;

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，編譯器不需要做拆箱操作：

booleanx2=flag?simpleBoolean:simpleBoolean;

//反編譯后代碼（不需要做任何特殊操作）
booleanx2=flag?simpleBoolean:simpleBoolean;

當(dāng)?shù)诙缓偷谌槐磉_(dá)式中一個(gè)為基本類型另一個(gè)為包裝類型時(shí)，表達(dá)式返回值為基本類型，編譯器需要做拆箱操作：

booleanx3=flag?objectBoolean:simpleBoolean;

//反編譯后代碼（需要對(duì)其中的包裝類進(jìn)行拆箱）
booleanx3=flag?objectBoolean.booleanValue():simpleBoolean;

如果你清楚三目運(yùn)算符的規(guī)則，那你就會(huì)正確地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)以下幾種定義方式：

booleanx4=flag?objectBoolean:objectBoolean;

//反編譯后代碼（三元表達(dá)式的結(jié)果要求是包裝類，而x4是基本類型，所以編譯器需要做拆箱）
booleanx4=(flag?objectBoolean:objectBoolean).booleanValue();
Booleanx5=flag?simpleBoolean:simpleBoolean;

//反編譯后代碼（三元表達(dá)式的結(jié)果要求是基本類型，而x5是包裝類型，所以編譯器需要做裝箱）
Booleanx5=Boolean.valueOf(flag?simpleBoolean:simpleBoolean);
Booleanx6=flag?objectBoolean:simpleBoolean;

//反編譯后代碼（三元表達(dá)式的結(jié)果要求是基本類型，而x5是包裝類型，所以編譯器需要做裝箱）
Booleanx6=Boolean.valueOf(flag?objectBoolean.booleanValue():simpleBoolean);

所以，日常開(kāi)發(fā)中就有可能出現(xiàn)以上 6 種情況。在以上 6 種情況中，如果是涉及到自動(dòng)拆箱的，一旦包裝類的值為 null，即 null.booleanValue()，就必然會(huì)發(fā)生 NPE（裝箱不會(huì)，因?yàn)檠b箱是 Boolean.valueOf(null)，這并不會(huì)拋 NPE）。

小伙伴們可以把以上的 x3、x4 以及 x6 中的的包裝類設(shè)置成 null，看看是不是會(huì)拋 NPE：

booleanflag=true;
booleansimpleBoolean=false;
BooleanobjectBoolean=Boolean.FALSE;
//將包裝類設(shè)置為null
BooleannullBoolean=null;

booleanx3=flag?nullBoolean:simpleBoolean;
booleanx4=flag?nullBoolean:objectBoolean;
Booleanx6=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(guò)程中，根據(jù) JLS 的規(guī)則確定類型的過(guò)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(guò)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)則得到的是一個(gè)對(duì)象類型，但是在給變量賦值過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)拆箱所導(dǎo)致的 NPE。

審核編輯：黃飛