Java 22解构模式匹配Optional空安全性能低于Optional.map？Pattern.isTotal与isNullPattern组合

Java 22 解构模式匹配 Optional<Record> 空安全性能与 Optional.map 的比较：深入剖析与最佳实践

各位听众，大家好！今天我们来深入探讨 Java 22 中解构模式匹配在处理
Optional<Record> 时的一些微妙之处，特别是它与
Optional.map 在空安全和性能方面的对比。我们会仔细分析
Pattern.isTotal 和
isNullPattern 的组合使用，并提供最佳实践建议。

1. 问题的背景：Optional 与 Record 的结合

在现代 Java 应用中，
Optional 已经成为处理可能缺失值的标准方式。同时，
Record 作为一种简洁的数据载体，被广泛用于表示不可变的数据结构。当两者结合使用，例如
Optional<Record>，我们需要仔细考虑如何安全且高效地处理可能为空的
Optional 和
Record 中的字段。

假设我们有以下
Record 定义：

record Person(String name, Integer age) {}

现在，我们有一个
Optional<Person>，它可能包含一个
Person 对象，也可能为空：

Optional<Person> optionalPerson = Optional.of(new Person("Alice", 30));
// 或者
Optional<Person> optionalPerson = Optional.empty();

2. 传统的 Optional.map 方法

在 Java 8 引入
Optional 后，
Optional.map 成为处理
Optional 中值的常用方法。它可以安全地将
Optional 中的值转换为另一种类型，如果
Optional 为空，则直接返回
Optional.empty()，避免了空指针异常。

例如，要从
Optional<Person> 中获取姓名，我们可以这样做：

Optional<String> optionalName = optionalPerson.map(Person::name);


Optional.map 的优点是简洁、安全，并且易于理解。

3. Java 22 的解构模式匹配

Java 22 引入了解构模式匹配，这为处理
Record 提供了更强大的能力。我们可以使用模式匹配来直接提取
Record 中的字段，并进行相应的操作。

例如，我们可以使用模式匹配来检查
Optional<Person> 是否包含一个姓名以 “A” 开头的
Person 对象：

if (optionalPerson instanceof Optional<Person>(Person(String name, Integer age)) && name.startsWith("A")) {
    System.out.println("Person name starts with A");
} else {
    System.out.println("Person name does not start with A or Optional is empty");
}

这里，
Optional<Person>(Person(String name, Integer age)) 就是一个解构模式。它尝试将
optionalPerson 解构为一个包含
Person 对象的
Optional，然后将
Person 对象解构为
name 和
age 字段。

4. 解构模式匹配的空安全问题

解构模式匹配本身并不能保证空安全。如果
optionalPerson 为空，上述代码仍然会抛出
NullPointerException，因为解构模式会尝试访问一个空
Optional 中的值。

为了解决这个问题，我们需要结合
Pattern.isTotal 和
isNullPattern 来显式地处理
Optional 为空的情况。


Pattern.isTotal 用于检查模式是否覆盖了所有可能的值。对于
Optional 来说，它只有两种可能的状态：包含一个值或者为空。因此，我们可以使用
isNullPattern 来显式地处理
Optional 为空的情况，并确保我们的模式是完全的。

import java.util.Optional;
import java.util.regex.Pattern;
 
public class PatternMatchingExample {
 
    record Person(String name, Integer age) {}
 
    public static void main(String[] args) {
        Optional<Person> optionalPerson1 = Optional.of(new Person("Alice", 30));
        Optional<Person> optionalPerson2 = Optional.empty();
 
        processPerson(optionalPerson1);
        processPerson(optionalPerson2);
    }
 
    public static void processPerson(Optional<Person> optionalPerson) {
        if (optionalPerson instanceof Optional<Person>(Person(String name, Integer age))) {
            System.out.println("Person name: " + name + ", age: " + age);
        } else if (optionalPerson.isEmpty()) { // 使用 isEmpty() 代替复杂的模式匹配
            System.out.println("Optional is empty");
        } else {
            System.out.println("Unexpected case"); // 理论上不应该发生
        }
    }
 
    // 使用模式匹配的方式，但并不推荐，因为 isEmpty() 更简洁
    public static void processPersonWithPatternMatching(Optional<Person> optionalPerson) {
        if (optionalPerson instanceof Optional<Person>(Person(String name, Integer age))) {
            System.out.println("Person name: " + name + ", age: " + age);
        } else if (optionalPerson instanceof Optional<Person>(null)) { //  不推荐，不如 isEmpty()
            System.out.println("Optional is empty");
        } else {
            System.out.println("Unexpected case"); // 理论上不应该发生
        }
    }
}

在这个例子中，我们首先使用
instanceof Optional<Person>(Person(String name, Integer age)) 来检查
Optional 是否包含一个
Person 对象。如果包含，则提取
name 和
age 字段。然后，我们使用
optionalPerson.isEmpty() 来检查
Optional 是否为空。注意，这里我们使用
isEmpty() 方法，而不是使用
instanceof Optional<Person>(null)。 虽然
instanceof Optional<Person>(null) 在语法上是可行的，但
isEmpty() 更简洁、更易于理解，并且也更符合
Optional 的设计意图。

5. 性能比较：解构模式匹配 vs. Optional.map

在性能方面，解构模式匹配和
Optional.map 之间存在一些差异。
Optional.map 通常被认为是非常高效的，因为它避免了不必要的对象创建和方法调用。它只是简单地将一个函数应用于
Optional 中的值，如果
Optional 为空，则直接返回
Optional.empty()。

解构模式匹配的性能取决于具体的实现。在某些情况下，它可能比
Optional.map 稍慢，因为它需要进行模式匹配和解构操作。然而，在其他情况下，如果我们需要同时提取多个字段并进行复杂的逻辑判断，解构模式匹配可能会更高效。

为了更准确地比较两者的性能，我们需要进行基准测试。以下是一个简单的基准测试示例：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
 
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
@State(Scope.Thread)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@Warmup(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Fork(1)
public class OptionalPatternMatchingBenchmark {
 
    record Person(String name, Integer age) {}
 
    private Optional<Person> optionalPerson;
 
    @Setup(Level.Trial)
    public void setup() {
        optionalPerson = Optional.of(new Person("Alice", 30));
        //optionalPerson = Optional.empty(); // 切换到 empty 场景
    }
 
    @Benchmark
    public void testOptionalMap(Blackhole blackhole) {
        Optional<String> optionalName = optionalPerson.map(Person::name);
        blackhole.consume(optionalName);
    }
 
    @Benchmark
    public void testPatternMatching(Blackhole blackhole) {
        Optional<String> optionalName = Optional.empty();
        if (optionalPerson instanceof Optional<Person>(Person(String name, Integer age))) {
            optionalName = Optional.of(name);
        }
        blackhole.consume(optionalName);
    }
 
    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(OptionalPatternMatchingBenchmark.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .build();
 
        new Runner(opt).run();
    }
}

这个基准测试比较了
Optional.map 和解构模式匹配在获取
Person 对象姓名时的性能。 运行这个基准测试，我们可以得到以下结果（这只是一个示例，实际结果会因硬件和 JVM 配置而异）：

从结果来看，在这个简单的例子中，
Optional.map 的性能略优于解构模式匹配。但是，需要注意的是，这只是一个简单的例子，实际性能会受到多种因素的影响。

重要提示：

基准测试至关重要： 不要盲目假设哪个方法更快。始终使用 JMH 或其他基准测试工具来测量实际性能。复杂性影响性能： 如果模式匹配包含复杂的逻辑或需要提取多个字段，性能差异可能会更大。JVM 优化： JVM 的 JIT 编译器可以优化代码，性能差异可能会随着 JVM 的版本而变化。

6. 最佳实践建议

在处理
Optional<Record> 时，我们应该遵循以下最佳实践：

优先使用
Optional.map： 如果只需要简单地转换
Optional 中的值，
Optional.map 通常是更好的选择，因为它更简洁、更高效。谨慎使用解构模式匹配： 解构模式匹配适用于需要提取多个字段并进行复杂逻辑判断的场景。但是，要确保正确处理
Optional 为空的情况，并注意性能影响。使用
isEmpty() 进行空值检查： 相比于
instanceof Optional<Person>(null)，更推荐使用
optionalPerson.isEmpty() 来检查
Optional 是否为空，因为它更简洁、更易于理解。避免过度使用模式匹配： 模式匹配虽然强大，但过度使用可能会导致代码可读性下降。在选择使用模式匹配之前，仔细考虑是否真的有必要。进行基准测试： 在性能敏感的场景中，始终进行基准测试，以确保选择最合适的方案。

7. 案例分析：更复杂的场景

假设我们有一个
Address record:

record Address(String street, String city, String zipCode) {}

现在我们有一个
Optional<Person>，其中
Person record 包含一个
Optional<Address>:

record Person(String name, Integer age, Optional<Address> address) {}

如果我们想获取
Person 的城市，我们需要处理两层
Optional。 使用
Optional.map 可以这样实现:

Optional<String> city = optionalPerson.flatMap(person -> person.address().map(Address::city));

使用模式匹配，我们可以这样实现：

Optional<String> city = Optional.empty();
if (optionalPerson instanceof Optional<Person>(Person(String name, Integer age, Optional<Address> address))) {
    if (address instanceof Optional<Address>(Address(String street, String aCity, String zipCode))) {
        city = Optional.of(aCity);
    }
}

或者更简洁一些：

Optional<String> city = optionalPerson.flatMap(person -> {
    if (person.address() instanceof Optional<Address>(Address(String street, String aCity, String zipCode))) {
        return Optional.of(aCity);
    }
    return Optional.empty();
});

在这个例子中，
Optional.flatMap 配合
Optional.map 可能更清晰易懂。模式匹配的方式虽然可以实现相同的功能，但是代码会显得比较冗长。

8. Java 22 的改进和未来展望

Java 22 在模式匹配方面进行了一些改进，例如支持更复杂的模式和更强大的类型推断。未来，我们可以期待 Java 在模式匹配方面有更多的发展，例如支持更简洁的语法和更强大的空安全保证。

例如，未来的 Java 版本可能会引入一种更简洁的语法来处理嵌套的
Optional：

// 这只是一个假设的语法，未来可能会实现
Optional<String> city = switch (optionalPerson) {
    case Optional<Person>(Person(String name, Integer age, Optional<Address>(Address(String street, String city, String zipCode)))) -> Optional.of(city);
    default -> Optional.empty();
};

这样的语法将大大简化处理嵌套
Optional 的代码，并提高代码的可读性。

总结来说：要权衡考虑

在处理
Optional<Record> 时，
Optional.map 通常更简洁高效。解构模式匹配适用于需要提取多个字段并进行复杂逻辑判断的场景，但需注意空安全和性能。
isEmpty() 方法是检查
Optional 是否为空的推荐方式。未来 Java 在模式匹配方面的发展值得期待。