Eine schnelle und gründliche Anleitung zu 'null': Was es ist und wie Sie es verwenden sollten

Was bedeutet das null? Wie wird nullumgesetzt? Wann sollten Sie nullIhren Quellcode verwenden und wann sollten Sie ihn nicht verwenden?

Einführung

nullist ein grundlegendes Konzept in vielen Programmiersprachen. Es ist in allen Arten von Quellcode, der in diesen Sprachen geschrieben ist, allgegenwärtig. Daher ist es wichtig, die Idee von vollständig zu erfassen null. Wir müssen seine Semantik und Implementierung verstehen und wissen, wie man ihn nullin unserem Quellcode verwendet.

Kommentare in Programmiererforen zeigen manchmal ein wenig Verwirrung mit null. Einige Programmierer versuchen sogar, dies vollständig zu vermeiden null. Weil sie es als den "Millionen-Dollar-Fehler" betrachten, ein Begriff, der von Tony Hoare, dem Erfinder von, geprägt wurde null.

Hier ist ein einfaches Beispiel: Angenommen, Alice email_addresszeigt auf null. Was bedeutet das? Bedeutet das, dass Alice keine E-Mail-Adresse hat? Oder dass ihre E-Mail-Adresse unbekannt ist? Oder dass es geheim ist? Oder bedeutet es einfach, dass email_addresses "undefiniert" oder "nicht initialisiert" ist? Mal sehen. Nach dem Lesen dieses Artikels sollte jeder in der Lage sein, solche Fragen ohne zu zögern zu beantworten.

Hinweis: Dieser Artikel ist - soweit möglich - programmiersprachenneutral. Erklärungen sind allgemein und nicht an eine bestimmte Sprache gebunden. Bitte konsultieren Sie Ihre Programmiersprachenhandbücher für spezifische Ratschläge zu null. Dieser Artikel enthält jedoch einige einfache Quellcodebeispiele, die in Java gezeigt werden. Es ist jedoch nicht schwierig, sie in Ihre Lieblingssprache zu übersetzen.

Laufzeitimplementierung

Bevor nullwir die Bedeutung von diskutieren , müssen wir verstehen, wie nulles zur Laufzeit im Speicher implementiert wird.

Hinweis: Wir werden uns eine typische Implementierung von ansehen null. Die tatsächliche Implementierung in einer bestimmten Umgebung hängt von der Programmiersprache und der Zielumgebung ab und kann von der hier gezeigten Implementierung abweichen.

Angenommen, wir haben die folgende Quellcode-Anweisung:

String name = "Bob";

Hier deklarieren wir eine Variable vom Typ Stringund mit dem Bezeichner name, der auf die Zeichenfolge zeigt "Bob".

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, „Punkte auf“ zu sagen, da wir davon ausgehen, dass wir mit Referenztypen (und nicht mit Werttypen ) arbeiten. Dazu später mehr.

Um die Dinge einfach zu halten, werden wir die folgenden Annahmen treffen:

  • Der obige Befehl wird auf einer 16-Bit-CPU mit einem 16-Bit-Adressraum ausgeführt.
  • Zeichenfolgen werden als UTF-16 codiert. Sie werden mit 0 abgeschlossen (wie in C oder C ++).

Das folgende Bild zeigt einen Auszug aus dem Speicher nach Ausführung der obigen Anweisung:

Die Speicheradressen im obigen Bild werden willkürlich ausgewählt und sind für unsere Diskussion irrelevant.

Wie wir sehen können, ist die Zeichenfolge "Bob"unter der Adresse B000 gespeichert und belegt 4 Speicherzellen.

Die Variable namebefindet sich unter der Adresse A0A1. Der Inhalt von A0A1 ist B000, der Startspeicherort der Zeichenfolge "Bob". Deshalb sagen wir: Die Variable namezeigt auf"Bob" .

So weit, ist es gut.

Angenommen, Sie führen nach dem Ausführen der obigen Anweisung Folgendes aus:

name = null;

Zeigt jetzt nameauf null.

Und das ist der neue Zustand im Gedächtnis:

Wir können sehen, dass sich für die Zeichenfolge, "Bob"die noch im Speicher gespeichert ist , nichts geändert hat .

Hinweis: Der zum Speichern der Zeichenfolge erforderliche Speicher wird "Bob"möglicherweise später freigegeben, wenn ein Garbage Collector vorhanden ist und keine anderen Referenzpunkte vorhanden "Bob"sind. Dies ist jedoch in unserer Diskussion irrelevant.

Wichtig ist, dass der Inhalt von A0A1 (der den Wert der Variablen darstellt name) jetzt 0000 ist. Die Variable namezeigt also nicht "Bob"mehr auf. Der Wert 0 (alle Bits bei Null) ist ein typischer Wert, der im Speicher zur Bezeichnung verwendet wird null. Dies bedeutet, dass kein Wert zugeordnet istname . Sie können sich das auch als das Fehlen von Daten oder einfach als keine Daten vorstellen .

Hinweis: Der tatsächliche Speicherwert, der zur Bezeichnung verwendet wird, nullist implementierungsspezifisch. In der Java Virtual Machine-Spezifikation wird beispielsweise am Ende von Abschnitt 2.4 angegeben. " Referenztypen und Werte:"

Die Java Virtual Machine-Spezifikation schreibt keine konkrete Wertekodierung vor null.

Merken:

Wenn ein Verweis darauf verweist null, bedeutet dies einfach, dass es einen gibtkein damit verbundener Wert .

Technisch gesehen enthält der der Referenz zugewiesene Speicherplatz den Wert 0 (alle Bits bei Null) oder einen anderen Wert, der nullin der gegebenen Umgebung bezeichnet wird.

Performance

Wie wir im vorherigen Abschnitt erfahren haben, sind Vorgänge nullzur Laufzeit extrem schnell und einfach durchzuführen.

Es gibt nur zwei Arten von Operationen:

  • Initialisieren oder setzen Sie einen Verweis auf null(z. B. name = null): Sie müssen lediglich den Inhalt einer Speicherzelle ändern (z. B. auf 0 setzen).
  • Überprüfen Sie, ob eine Referenz auf null(z. B. if name == null) verweist : Sie müssen nur überprüfen, ob die Speicherzelle der Referenz den Wert 0 enthält.

Merken:

Operationen auf nullsind außerordentlich schnell und billig.

Referenz vs Werttypen

Bisher haben wir angenommen, mit Referenztypen zu arbeiten . Der Grund dafür ist einfach: nullexistiert nicht für Werttypen .

Warum?

Wie wir zuvor gesehen haben, ist eine Referenz ein Zeiger auf eine Speicheradresse, in der ein Wert gespeichert ist (z. B. eine Zeichenfolge, ein Datum, ein Kunde usw.). Wenn eine Referenz auf zeigt null, ist ihr kein Wert zugeordnet.

Andererseits ist ein Wert per Definition der Wert selbst. Es ist kein Zeiger beteiligt. Ein Werttyp wird als Wert selbst gespeichert. Daher existiert das Konzept von für nullWerttypen nicht.

The following picture demonstrates the difference. On the left side you can see again the memory in case of variable name being a reference pointing to "Bob". The right side shows the memory in case of variable name being a value type.

As we can see, in case of a value type, the value itself is directly stored at the address A0A1 which is associated with variable name.

There would be much more to say about reference versus value types, but this is out of the scope of this article. Please note also that some programming languages support only reference types, others support only value types, and some (e.g. C# and Java) support both of them.

Remember:

The concept of null exists only for reference types. It doesn't exist for value types.

Meaning

Suppose we have a type person with a field emailAddress. Suppose also that, for a given person which we will call Alice, emailAddress points to null.

What does this mean? Does it mean that Alice doesn’t have an email address? Not necessarily.

As we have seen already, what we can assert is that no value is associated with emailAddress.

But why is there no value? What is the reason of emailAddress pointing to null? If we don't know the context and history, then we can only speculate. The reason for nullcould be:

Alice doesn’t have an email address. Or…

Alice has an email address, but:

  • it has not yet been entered in the database
  • it is secret (unrevealed for security reasons)
  • there is a bug in a routine that creates a person object without setting field emailAddress
  • and so on.

In practice we often know the application and context. We intuitively associate a precise meaning to null. In a simple and flawless world, null would simply mean that Alice actually doesn't have an email address.

When we write code, the reason why a reference points to null is often irrelevant. We just check for null and take appropriate actions. For example, suppose that we have to write a loop that sends emails for a list of persons. The code (in Java) could look like this:

for ( Person person: persons ) { if ( person.getEmailAddress() != null ) { // code to send email } else { logger.warning("No email address for " + person.getName()); }}

In the above loop we don’t care about the reason for null. We just acknowledge the fact that there is no email address, log a warning, and continue.

Remember:

If a reference points to null then it always means that there isno value associated with it.

In most cases, null has a more specific meaning that depends on the context.

Why is it null?

Sometimes it is important to know why a reference points to null.

Consider the following function signature in a medical application:

List getAllergiesOfPatient ( String patientId )

In this case, returning null (or an empty list) is ambiguous. Does it mean that the patient doesn't have allergies, or does it mean that an allergy test has not yet been performed? These are two semantically very different cases that must be handled differently. Or else the outcome might be life-threatening.

Just suppose that the patient has allergies, but an allergy test has not yet been done and the software tells the doctor that 'there are no allergies'. Hence we need additional information. We need to know why the function returns null.

It would be tempting to say: Well, to differentiate, we return null if an allergy test has not yet been performed, and we return an empty list if there are no allergies.

DON’T DO THIS!

This is bad data design for multiple reasons.

The different semantics for returning null versus returning an empty list would need to be well documented. And as we all know, comments can be wrong (i.e. inconsistent with the code), outdated, or they might even be inaccessible.

There is no protection for misuses in client code that calls the function. For example, the following code is wrong, but it compiles without errors. Moreover, the error is difficult to spot for a human reader. We can’t see the error by just looking at the code without considering the comment of getAllergiesOfPatient:

List allergies = getAllergiesOfPatient ( "123" ); if ( allergies == null ) { System.out.println ( "No allergies" ); // <-- WRONG!} else if ( allergies.isEmpty() ) { System.out.println ( "Test not done yet" ); // <-- WRONG!} else { System.out.println ( "There are allergies" );}

The following code would be wrong too:

List allergies = getAllergiesOfPatient ( "123" );if ( allergies == null || allergies.isEmpty() ) { System.out.println ( "No allergies" ); // <-- WRONG!} else { System.out.println ( "There are allergies" );}

If the null/empty-logic of getAllergiesOfPatient changes in the future, then the comment needs to be updated, as well as all client code. And there is no protection against forgetting any one of these changes.

If, later on, there is another case to be distinguished (e.g. an allergy test is pending — the results are not yet available), or if we want to add specific data for each case, then we are stuck.

So the function needs to return more information than just a list.

There are different ways to do this, depending on the programming language we use. Let’s have a look at a possible solution in Java.

In order to differentiate the cases, we define a parent type AllergyTestResult, as well as three sub-types that represent the three cases (NotDone, Pending, and Done):

interface AllergyTestResult {}
interface NotDoneAllergyTestResult extends AllergyTestResult {}
interface PendingAllergyTestResult extends AllergyTestResult { public Date getDateStarted();}
interface DoneAllergyTestResult extends AllergyTestResult { public Date getDateDone(); public List getAllergies(); // null if no allergies // non-empty if there are // allergies}

As we can see, for each case we can have specific data associated with it.

Instead of simply returning a list, getAllergiesOfPatient now returns an AllergyTestResult object:

AllergyTestResult getAllergiesOfPatient ( String patientId )

Client code is now less error-prone and looks like this:

AllergyTestResult allergyTestResult = getAllergiesOfPatient("123");
if (allergyTestResult instanceof NotDoneAllergyTestResult) { System.out.println ( "Test not done yet" ); } else if (allergyTestResult instanceof PendingAllergyTestResult) { System.out.println ( "Test pending" ); } else if (allergyTestResult instanceof DoneAllergyTestResult) { List list = ((DoneAllergyTestResult) allergyTestResult).getAllergies(); if (list == null) { System.out.println ( "No allergies" ); } else if (list.isEmpty()) { assert false; } else { System.out.println ( "There are allergies" ); }} else { assert false;}

Note: If you think that the above code is quite verbose and a bit hard to write, then you are not alone. Some modern languages allow us to write conceptually similar code much more succinctly. And null-safe languages distinguish between nullable and non-nullable values in a reliable way at compile-time — there is no need to comment the nullability of a reference or to check whether a reference declared to be non-null has accidentally been set to null.

Remember:

If we need to know why there is no value associated with a reference, then additional data must be provided to differentiate the possible cases.

Initialization

Consider the following instructions:

String s1 = "foo";String s2 = null;String s3;

The first instruction declares a String variable s1 and assigns it the value "foo".

The second instruction assigns null to s2.

The more interesting instruction is the last one. No value is explicitly assigned to s3. Hence, it is reasonable to ask: What is the state of s3 after its declaration? What will happen if we write s3 to the OS output device?

It turns out that the state of a variable (or class field) declared without assigning a value depends on the programming language. Moreover, each programming language might have specific rules for different cases. For example, different rules apply for reference types and value types, static and non-static members of a class, global and local variables, and so on.

As far as I know, the following rules are typical variations encountered:

  • It is illegal to declare a variable without also assigning a value
  • There is an arbitrary value stored in s3, depending on the memory content at the time of execution - there is no default value
  • A default value is automatically assigned to s3. In case of a reference type, the default value is null. In case of a value type, the default value depends on the variable’s type. For example 0 for integer numbers, false for a boolean, and so on.
  • the state of s3 is 'undefined'
  • the state of s3 is 'uninitialized', and any attempt to use s3 results in a compile-time error.

The best option is the last one. All other options are error-prone and/or impractical — for reasons we will not discuss here, because this article focuses on null.

As an example, Java applies the last option for local variables. Hence, the following code results in a compile-time error at the second line:

String s3;System.out.println ( s3 );

Compiler output:

error: variable s3 might not have been initialized

Remember:

If a variable is declared, but no explicit value is assigned to it, then it’s state depends on several factors which are different in different programming languages.

In some languages, null is the default value for reference types.

When to Use null (And When Not to Use It)

The basic rule is simple: null should only be allowed when it makes sense for an object reference to have 'no value associated with it'. (Note: an object reference can be a variable, constant, property (class field), input/output argument, and so on.)

For example, suppose type person with fields name and dateOfFirstMarriage:

interface Person { public String getName(); public Date getDateOfFirstMarriage();}

Every person has a name. Hence it doesn’t make sense for field name to have 'no value associated with it'. Field name is non-nullable. It is illegal to assign null to it.

On the other hand, field dateOfFirstMarriage doesn't represent a required value. Not everyone is married. Hence it makes sense for dateOfFirstMarriage to have 'no value associated with it'. Therefore dateOfFirstMarriage is a nullable field. If a person's dateOfFirstMarriage field points to null then it simply means that this person has never been married.

Note: Unfortunately most popular programming languages don’t distinguish between nullable and non-nullable types. There is no way to reliably state that null can never be assigned to a given object reference. In some languages it is possible to use annotations, such as the non-standard annotations @Nullable and @NonNullable in Java. Here is an example:

interface Person { public @Nonnull String getName(); public @Nullable Date getDateOfFirstMarriage();}

However, such annotations are not used by the compiler to ensure null-safety. Still, they are useful for the human reader, and they can be used by IDEs and tools such as static code analyzers.

It is important to note that null should not be used to denote error conditions.

Consider a function that reads configuration data from a file. If the file doesn’t exist or is empty, then a default configuration should be returned. Here is the function’s signature:

public Config readConfigFromFile ( File file )

What should happen in case of a file read error?

Simply return null?

NO!

Each language has it’s own standard way to signal error conditions and provide data about the error, such as a description, type, stack trace, and so on. Many languages (C#, Java, etc.) use an exception mechanism, and exceptions should be used in these languages to signal run-time errors. readConfigFromFile should not return null to denote an error. Instead, the function's signature should be changed in order to make it clear that the function might fail:

public Config readConfigFromFile ( File file ) throws IOException

Remember:

Allow null only if it makes sense for an object reference to have 'no value associated with it'.

Don’t use null to signal error conditions.

Null-safety

Consider the following code:

String name = null;int l = name.length();

Zur Laufzeit führt der obige Code zu dem berüchtigten Nullzeigerfehler , da wir versuchen, eine Methode einer Referenz auszuführen, auf die verwiesen wird null. In C # wird beispielsweise a NullReferenceExceptionausgelöst, in Java ist es a NullPointerException.

Der Nullzeigerfehler ist böse.

Es ist der häufigste Fehler in vielen Softwareanwendungen und hat unzählige Probleme in der Geschichte der Softwareentwicklung verursacht. Tony Hoare, der Erfinder von null, nennt es den "Milliarden-Dollar-Fehler".

Aber auch Tony Hoare (Turing-Preisträger 1980 und Erfinder des Quicksort-Algorithmus) gibt in seiner Rede einen Hinweis auf eine Lösung:

Neuere Programmiersprachen… haben Deklarationen für Nicht-Null-Referenzen eingeführt. Dies ist die Lösung, die ich 1965 abgelehnt habe.

Contrary to some common belief, the culprit is not null per se. The problem is the lack of support for null handling in many programming languages. For example, at the time of writing (May 2018), none of the top ten languages in the Tiobe index natively differentiates between nullable and non-nullable types.

Therefore, some new languages provide compile-time null-safety and specific syntax for conveniently handling null in source code. In these languages, the above code would result in a compile-time error. Software quality and reliability increases considerably, because the null pointer error delightfully disappears.

Null-safety is a fascinating topic that deserves its own article.

Remember:

Whenever possible, use a language that supports compile-time null-safety.

Note: Some programming languages (mostly functional programming languages like Haskell) don’t support the concept of null. Instead, they use the Maybe/Optional Patternto represent the ‘absence of a value’. The compiler ensures that the ‘no value’ case is handled explicitly. Hence, null pointer errors cannot occur.

Summary

Here is a summary of key points to remember:

  • If a reference points to null, it always means that there is no value associated with it.
  • In most cases, null has a more specific meaning that depends on the context.
  • If we need to know why there is no value associated with a reference, then additional data must be provided to differentiate the possible cases.
  • Allow null only if it makes sense for an object reference to have 'no value associated with it'.
  • Don’t use null to signal error conditions.
  • The concept of null exists only for reference types. It doesn't exist for value types.
  • In some languages null is the default value for reference types.
  • null operations are exceedingly fast and cheap.
  • Whenever possible, use a language that supports compile-time-null-safety.