[Java] 자바 Null과 Optional

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자바를 모른채 스프링으로 개발할 때 자주 눈에 들어왔던 Optional에 대해 언젠가는 정리하고 싶었다. 여러 강의에서 굉장히 중요한 개념이라고 언급되었는데, 얘가 어떤 좋은 역할을 해낸 건지 정확히 뭐가 중요한 건지 알아보아야겠다.


Optional은 값을 감싸주는 안전장치라고 들었는데, 어떤 위험 요소 때문에 필요한 것일까?
이러한 Optional의 역할을 이해하기 위해서는 먼저 자바에서 null이 가지는 의미에 대해 명확히 짚고 넘어가야 한다.


Java에서 Null이란?

❗️ 주소값이 없음

  • 일반적으로 값이 없음을 표현하는 키워드로, 자바에서는 참조 타입 변수가 아무런 객체도 참조하고 있지 않음을 나타낸다.

null의 의미 자체에 대해 생각해보기 위해 C의 포인터 개념을 떠올려보자. 포인터 변수는 생성된 메모리의 주소를 가리킨다.
만약 포인터 변수의 값을 초기화 하지 않고 선언만 한다면 포인터는 아무런 주소도 가리키지 않을 것이다.
이러한 주소가 존재하지 않는 상태를 어떻게 표현해야 하는가?

이러한 표현이 null 키워드로 제공되는 것이다.

  • 값이 null인 경우 할당되는 메모리가 없다.

  • 참조 타입에서 값이 없을 때 사용하거나 기본값으로 사용된다.

  • 원시 타입에는 대입할 수 없다.

    • null을 원시 타입에 대입하면 컴파일 에러가 발생한다.

    • 주소를 통해 데이터에 접근하는 개념이 아니므로 키워드의 의미를 생각해보았을 때 당연한 논리이다.

    • 따라서 값이 없음을 표현하기 위해 자료형에 따라 따로 정해진 값을 사용한다. 초기화하지 않았을 때의 기본값도 동일하다.

      • e.g. 0, false, '\u0000' 출력하면 아무것도 없는 제어 문자이다. 제어 문자는 특정 작업을 지시하는 역할이다.

❗️ 에러 발생의 요인

할당되는 메모리 자체가 없기 때문에 null을 다룰 때에는 특별히 주의가 필요하다.


  • 원시 타입에 null이 들어가려는 경우: 자바에서 자동 형변환 시 에러

    Integer나 Double과 같은 래퍼 클래스가 null을 참조하고 있는데 원시 타입으로 사용하기 위해 자동 형변환이 일어나는 경우 에러가 발생하게 된다.


    Integer n = new Integer(84);

    n = null; // 모종의 이유로 래퍼 클래스 객체에 null이 들어가게 되면

    int m = n; // 이때 참조 타입을 원시 타입으로 사용하기 위해 자동으로 언박싱, NullPointerException


  • null 객체의 메서드 호출

null 객체에서 메서드를 호출하게 되면 NullPointerException이 발생한다.


    String str = null;

    System.out.println(str.length());


  • 배열을 초기화하지 않고 접근

배열 변수도 객체의 참조를 저장하기 때문에 null로 초기화할 수 있다.


    int[] nums = null;

    System.out.println(nums[0]); // NullPointerException

배열이 아무런 주소도 가리키고 있지 않은데 인덱스로 접근하려고 하면 에러가 발생한다.


  • 대소 비교 관계 연산자 사용

값의 크고 작음을 비교하는 관계 연산자 <, >, <=, >= 는 숫자형 원시 타입과 함께 사용될 때 의미가 있다. 따라서 우선 객체 타입과 함께 사용할 수 없다. 컴파일 에러가 발생한다 


    Integer n = null;

    if (n <= 1) {
        System.out.println("hi");
    }

또한 다음과 같은 래퍼 클래스 객체에 null이 들어있을 경우 자동으로 언박싱이 되며 컴파일 에러는 피해갈 수 있지만, 코드를 실행할 때 NullPointerException이 발생한다. n <= 1이 실행될 때 실제로는 n.intValue() <= 1로 변횐되는데, 이때 n이 null이므로 메서드 호출이 불가능하기 때문에 에러가 발생하는 것이다. 이는 두 번째 에러 발생과 유사한 경우이다.


NullPointerException

그렇다면 null로 인해 발생하는 에러는 어떠한 에러이며 어떻게 다뤄야 하는가?
NullPointerException, NPE는 프로그램 실행 도중 발생하는 런타임(Runtime) 에러이다.

🤔 런타임 에러가 큰 문제가 되는 이유가 무엇일까?

컴파일 에러는 프로그램이 실행되기 전 발견할 수 있으므로 예방이 가능하다. 하지만 런타임 에러는 컴파일 시점에는 문제가 되지 않아 발견하기 어려울 뿐만 아니라, 실행 도중 발생하므로 예측 불가능한 동작을 일으킬 수 있다. 개발 도중에 발견하고 고치기 어려워 프로덕션 환경이나 실사용 환경에서 발생할 수 있는 에러이기 때문에 문제가 된다.

오죽하면 컴파일 에러만으로 오류를 잡아낼 수 있다면 굉장히 잘 설계한 코드라는 말도 들어본 적이 있다.

🧐 어떠한 상황에서 발생하는가?

예제 코드를 통해 발생하기 쉬운 널포인터 에러에 관해 알아보자.


    class User {
        private Address address;
        private String name;

        User(String name) {
            // 생성자에서는 name만 초기화하고 있음
            this.name = name;
        }

        public Info getAddress() {
            return this.address;
        }
    }

    class Address {
        private City city;

        // 생성자에서 필드값을 초기화하지 않는 경우

        public City getCity() {
            return this.city;
        }
    }

    class City {
        public String printCity() {
            return "Seoul";
        }
    }

    public class Main( ) {
        public static void main(String[] args) {
            User user = new User("Cat");

            // user의 Address 객체는 초기화되지 않았다.

            user.getAddress().getCity().printCity(); // NullPointerException
        }
    }

다음과 같이 여러 객체 클래스가 정의되어 있고 최종적으로 다루는 객체는 중첩된 객체이다.
메인 클래스를 살펴보면 user.getAddress()에서 널포인터 에러가 발생함을 알 수 있다. user의 address 객체가 null이므로 널 객체의 메서드를 참조할 수 없기 때문이다.


이러한 경우 자바스크립트 진영에서는 옵셔널 체이닝 연산자 ?., 코틀린에서는 엘비스 연산자 ?:을 사용하여 간편하게 처리할 수 있다고 한다.

그러나 자바 진영에서는 이러한 연산자를 지원하지 않으며, 엘비스 연산자에 대한 논의가 있었으나 이를 도입하면 null을 더 많이 사용할 것이라 판단하여 승인되지 않았다고 한다.

📕 예방법

가장 기본적인 예방법부터 권장되는 방식까지 흐름에 따라 알아보자.

기본값을 사용하도록 설정하기

우선 객체를 선언할 때 초기값을 사용하는 것을 권장한다. 가장 직관적이다.


    class User {
        private Address address;
        private String name;

        User() {
            this.address = new Address(); // 물론 이 객체의 생성자에서도 초기화가 필요할 것이다. (생략)
            this.name = "unknown";
        }
    }

그러나 기본값을 사용하게 되면 의도하지 않거나 불필요한 값이 생성되는 느낌이다. 또한 반드시 알아야 할 이름과 같은 정보에 기본값을 사용하는 것은 일반적이지 않고 그래서는 안 된다. 이렇게 서비스 구조상 어쩔 수 없이 마주하게 되는 null값이 존재할 것이다.

에러 발생 가능성이 있는 부분 예외 처리해주기

자바8 이전에는 NullPointerException의 가능성이 있는 코드를 조건문 중첩 코드로 회피하였다고 한다.


    private Scanner scanner;

    public NullCheckExample() {
        // 널인 경우에 대한 예외 처리
        if(scanner == null) {
            scanner = new Scanner(System.in);
        }
        int a = scanner.nextInt();
        System.out.println(a);
    }

조건문을 사용한 코드는 직관적이기 때문에 이런 간단한 코드에서는 오히려 좋을 수도 있다.

그러나 서비스가 방대해지고 메서드 개수가 많아진다면, 여러 개의 심지어는 중첩된 조건문 코드를 작성하는 방식은 불편하다! 코드의 양이 어마무시하게 증가할 것이다.


따라서 어쩔 수 없이 null을 직접 마주하게 되는 경우를 위해 등장한 것이 Optional이다. 새로운 연산자를 도입하는 등의 방식 대신, 에러를 예방하기 위한 방법으로 Optional을 사용하는 것을 권유하고 있다.


Optional이란?

  • java.util.Optional

  • 래퍼 클래스 Wrapper Class의 일종이다.

  • null이 될 가능성이 있는 객체를 감싸준다.

    • 값이 없는 객체만을 다룬다기 보다, null을 둘러싼 모든 상황을 위한 도구이다. 옵셔널이 제공하는 메서드를 보면 느낄 수 있을 것이다.

  • 예상치 못한 NullPointerException를 옵셔널이 제공하는 메서드로 간단하게 회피할 수 있다.

Null을 다루는 Optional의 메서드

  • empty()

    • 객체의 값이 없는 경우
    • Optional 클래스는 내부에서 static 변수로 빈 옵셔널 객체를 가지고 있다. 따라서 필요할 때마다 매번 빈 객체를 생성하지 않고 같은 객체를 참조하도록 설계되어있다고 한다.

  • of(T value)

    • 객체가 반드시 null이 아닌 값을 가지는 경우
    • 값이 null인 경우 NullPointerException을 던진다.

  • ofNullable(T value)

    • 객체의 값이 있을 수도 있고 없을 수도 있는 경우
    • null이 아닌 값이면 해당 값을 감싼 옵셔널을 반환하고, null이라면 빈 옵셔널 객체 Optional.empty()를 반환한다.



    // 객체가 null일 때
    Optional<String> n = Optional.empty();

    // 객체가 절대 null이 아닐 때
    Optional<String> m = Optional.of();

    // 객체의 값이 null일수도 있고 아닐 수도 있을 때
    Optional<String> l = Optional.ofNullable();


또한 옵셔널 객체가 비어있는 경우인 Optional.empty()가 들어오는 때에 대한 추가적인 작업이 다시 필요해진다. orElse() 또는 orElseGet()을 사용하여 처리할 수 있다.


    public String getName() {...}

    Optional<String> o = Optional.ofNullable(getName());

    // orElse() 사용
    String name = o.orElse("default");

    // 또는 orElseGet() 사용
    String name = o.orElseGet(()->"default");

💡 orElse() vs orElseGet()

  • orElse()

    
      // java API Docs
      public T orElse(T other)

      // If a value is present, returns the value, otherwise returns other.
    • null을 갖는 경우 값을 넘길 때


  • orElseGet()

    
      public T orElseGet(Supplier<? extends T> supplier)

      // If a value is present, returns the value, otherwise returns the result produced by the supplying function.

    • null을 갖는 경우 메서드의 실행이 필요할 때

    • 값이 없는 경우 supplier.get()을 호출하여 생성한 대체값을 반환하도록 한다.

    cf. Supplier

    자바의 java.util.function패키지에 포함된 함수형 인터페이스 중 하나로, 입력 없이 결과를 반환한다. 참고로 추상 메서드를 단 하나만 갖는 함수형 인터페이스의 특징은 입력 없이 값을 반환하는 동작을 수행하는 get() 메서드를 통해 나타난다.



메서드를 어떤 식으로 코드에 적용하는지 알아보기 위해 Optional을 문제가 발생했던 코드에 적용해보겠다. 옵셔널이 어떤 느낌인지 알아보기 위한 예시일 뿐 실무에 가깝거나 가장 좋은 코드라고 할 수는 없다.



    import java.util.Optional;

    class User {
        private Address address;
        private String name;

        // 여전히 이름만 초기화하는 생성자
        User(String name) {
            this.name = name;
        }

        // Optional.empty()를 반환
        public Optional<Address> getAddress() {
            return Optional.ofnullable(this.address);
        }
    }

    class Address {
        private City city;

        public Optional<City> getCity() {
            return Optional.ofNullable(this.city);
        }
    }

    class City {
        public String printCity() {
            return "Seoul";
        }
    }


이후 빈 객체를 다루는 로직을 설계하여 에러 발생 없이 객체를 처리할 수 있다.


    public class Main {
        public static void main(String[] args) {
            User user = new User("Cat");

            Optional<Address> address = user.getAddress();

            // Optional의 isPresent 메서드를 이용한 조건문 처리
            if (address.isPresent()) {
                ...
            } else {
                ...
            }
        }
    }

옵셔널에서 제공해주는 isPresent() 메서드를 통해 값이 존재하면 true를 반환하여 조건문 처리를 직관적이고 편리하게 할 수 있다.

좀 더 편리하게 처리하려면 객체들의 메서드와 필드를 조정하고 orElse() 또는 orElseGet()을 사용하는 것이 좋을 것 같다는 생각이 든다. 앞으로 서비스를 설계할 때 더 사용해보고 감을 잡아야겠다.



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