系统化掌握Dart编程之空安全

地狱勇士
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image.png

前言

在现代编程中，空值（null） 处理一直是开发者面临的挑战之一。空引用可能导致程序崩溃或产生难以调试的错误，尤其是在大型项目中。

时至今日，空安全已经是一个屡见不鲜的话题，目前像主流的编程语言Kotlin、Swift、Rust 等都对空安全有自己的支持。

Dart 作为一种现代化的编程语言，自版本 2.12 开始引入了 空安全（Null Safety） 特性，从根本上解决了这一问题。

空安全不仅提高了代码的健壮性和可预测性，还使得开发者能够更加自信地构建和维护复杂的应用程序。

操千曲而后晓声，观千剑而后识器。虐它千百遍方能通晓其真意。

一、空值问题

空值（null） 表示一个未初始化或不存在的对象引用。虽然空值有时是必要的，但不当使用会导致程序崩溃或产生难以调试的错误。例如，在 Java 或 C# 中，访问一个 null 引用的属性或方法会导致 NullPointerException 或类似的异常。

String name = null;
int length = name.length(); // 这里会抛出 NullPointerException

空指针异常搞得很多人怀疑人生：

image.png

二、什么是空安全？

空安全（Null Safety） 是一种编程语言特性，旨在防止因变量或对象引用为 null 而导致的错误。在支持空安全的语言中，类型系统能够区分 非空类型（Non-nullable Types） 和 可空类型（Nullable Types），从而在编译期就捕捉到潜在的空指针异常，减少运行时错误的发生。

空安全会在编译期防止意外访问 null 变量的错误的产生。

健全的空安全通过对非空变量的未被初始化或以 null 初始化的情况进行标记，把潜在的 运行时错误 转变成了 编辑时 的分析错误。

简而言之，空安全是通过类型系统重构和编译时静态验证为主、运行时兜底为辅的核心机制，将运行时NPE转化为编译时可预防的错误。

此特性在开发应用的过程中修复这类错误：

  • 没有以非空的值初始化
  • 赋了 null 值。

示例代码：

// 声明非空变量
var i = 42; // Inferred to be an int.
//声明可空变量
int? aNullableInt = null;

有了空安全后的状态：

image.png

三、空安全的原则

空安全支持基于以下两条核心原则：

  • 1、默认不可空。除非将变量显式声明为可空，否则它一定是非空的类型。经研究后发现，非空是目前的 API 中最常见的选择，所以选择了非空作为默认值。
  • 2、完全可靠。Dart 的空安全是非常可靠的，意味着编译期间包含了很多优化。如果类型系统推断出某个变量不为空，那么它 永远 不为空。

做个遵守原则的人：

image.png

四、空安全的核心理念

通过编译期检查来确保代码不会意外地尝试使用 null 值。具体来说：

  • 非空类型：默认情况下，所有类型都是非空的，意味着它们不能为 null。例如，String 表示一个非空字符串。
  • 可空类型：如果一个变量可以为 null，则需要显式声明为可空类型，如 String?。

通过这种区分，编译器可以在编译阶段检测到可能的空值问题，并要求开发者明确处理这些情况，从而避免运行时错误。

五、空安全的优势

  • 减少运行时错误：通过编译期检查，提前捕获潜在的空指针异常，减少运行时错误的发生。
  • 提高代码质量：明确的空值处理规则使得代码逻辑更加清晰，减少了不必要的 if (x != null) 检查。
  • 增强团队协作：空安全特性有助于团队成员更好地理解代码意图，确保每个人都遵循一致的空值处理规则。
  • 优化性能：避免不必要的空值检查和防御性编程，可以使代码更加简洁高效。

六、引入空安全前后类型系统的变化

  • 1、在引入空安全前Dart的类型系统是这样的： image.png 这意味着在之前，所有的类型都可以为Null，也就是Null类型被看作是所有类型的子类。
  • 2、在引入空安全之后： image.png 可以看出，最大的变化是将Null类型独立出来了，这意味着Null不再是其它类型的子类型，所以对于一个非Null类型的变量传递一个Null值时会报类型转换错误。

七、空安全操作符

7.1、空合并操作符 (??)

当左侧表达式为 null 时，使用右侧表达式的值作为默认值。

void main() {
  String? nullableName;

  // 如果 nullableName 为 null，则使用 "Guest" 作为默认值
  String displayName = nullableName ?? "Guest";
  print(displayName); // 输出: Guest
}

7.2、空感知赋值操作符 (??=)

只有在左侧表达式为 null 时，才执行赋值操作。

void main() {
  String? nullableName;

  // 如果 nullableName 为 null，则赋值为 "Guest"
  nullableName ??= "Guest";
  print(nullableName); // 输出: Guest

  // 如果已有值，则不再赋值
  nullableName ??= "Alice";
  print(nullableName); // 输出: Guest
}

7.3、安全调用操作符 (?.)

允许安全地访问对象的属性或调用方法，如果对象为null，则返回 null。

void main() {
  String? nullableName;

  // 如果 nullableName 为 null，则 length 也为 null
  int? length = nullableName?.length;
  print(length); // 输出: null
}

7.4、断言操作符 (!)

用于断言某个表达式不为空。使用时需谨慎，确保表达式确实不会为 null，否则会导致运行时异常。

void main() {
  String? nullableName;

  // 如果 nullableName 为 null，则会抛出异常
  String nonNullName = nullableName!;

  // 更安全的做法是先检查是否为 null
  if (nullableName != null) {
    String nonNullName = nullableName!;
  }
  
  // ! 另外一个常见的用处：
  bool isEmptyList(Object object) {
   if (object is! List) return false;
   return object.isEmpty;
  }
}

八、延迟初始化late的使用

对于无法在定义时进行初始化，并且又想避免使用?.，那么延迟初始化可以帮到你。通过late修饰的变量，可以让开发者选择初始化的时机，并且在使用这个变量时可以不用?.。

void main() {
 late List urls;//延时初始化 
 setUrls(List urls) {
   this.urls=urls; 
 } 
 int getUrlLen() { 
  return urls.length; 
 }

延时初始化虽然能为我们编码带来一定便利，但如果使用不当会带来空异常的问题，所以在使用的时候一定保证赋值和访问的顺序，切莫颠倒。

九、required 的作用

required 关键词主要用于函数参数和构造函数参数中，以确保调用者必须提供这些参数的值。这是空安全（null safety）特性的一部分，旨在提高代码的健壮性和可预测性。

9.1、构造函数中的required

当定义一个类时，使用 required 可以确保每个实例都必须初始化某些字段。这对于那些对对象状态至关重要的属性非常有用，可以防止忘记设置必要的参数。

class Person {
  final String name;
  final int age;

  // 使用 required 确保 name 和 age 必须被传递
  Person({required this.name, required this.age});
}

void main() {
  // 正确的调用方式
  var person = Person(name: "Alice", age: 30);
  print(person.name); // 输出: Alice
  print(person.age);  // 输出: 30

  // 错误的调用方式（缺少 required 参数）
  // var person2 = Person(); // 编译错误：缺少 name 和 age 参数
}

9.2、函数参数中的required

除了构造函数，required 也可以用于普通函数的命名参数，确保调用者必须提供这些参数。

void greet({required String name, String greeting = "Hello"}) {
  print('$greeting, $name!');
}

void main() {
  // 正确的调用方式
  greet(name: "Alice"); // 输出: Hello, Alice!
  greet(name: "Bob", greeting: "Hi"); // 输出: Hi, Bob!

  // 错误的调用方式（缺少 required 参数）
  // greet(); // 编译错误：缺少 name 参数
}

9.3、required 的作用与优势

  • 强制性：确保关键参数不会被遗漏，提高了代码的可靠性。
  • 清晰性：明确哪些参数是必需的，使得 API 更加直观易懂。
  • 空安全：结合 Dart 的空安全机制，帮助避免潜在的 null 值问题。

9.4、注意事项

  • required 只能用于命名参数，不能用于位置参数。位置参数本身就要求按顺序提供。
  • required 参数必须在调用时显式提供，即使它们有默认值。

十、总结

空安全是一种重要的编程语言特性，通过区分非空类型和可空类型，并结合专用的操作符，它能够在编译期捕捉潜在的空指针异常，减少运行时错误的发生。掌握空安全不仅提升了代码的质量和健壮性，还帮助开发者编写更加简洁高效的代码。

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