【C#】NullReferenceException完全ガイド｜原因パターン・診断・null安全演算子・設計防止策まで

string text = null;
Console.WriteLine(text.Length); // System.NullReferenceException: Object reference not set to an instance of an object.

/*
System.NullReferenceException: Object reference not set to an instance of an object.
   at OrderService.CalculateTotal(Order order)    ← ここが原因のメソッド
     in OrderService.cs:line 42                   ← このファイルの42行目
   at Program.Main(String[] args)
     in Program.cs:line 15
*/

// 上記から OrderService.cs の 42 行目を確認する
// ─── OrderService.cs の 42 行目付近 ────────────
public decimal CalculateTotal(Order order)
{
    // order が null、または order.Items が null の可能性がある
    return order.Items.Sum(i => i.Price); // ← line 42
}

// BAD: フィールドに new を書き忘れる
class ShoppingCart
{
    private List<string> _items; // null のまま

    public void Add(string item)
    {
        _items.Add(item); // NullReferenceException!
    }
}

// GOOD: フィールド初期化子で初期化
class ShoppingCart2
{
    private List<string> _items = new(); // 常に空リストで始まる

    public void Add(string item) => _items.Add(item); // 安全
}

// BAD: Find / FirstOrDefault などは見つからないと null（または 0/default）を返す
var users = new List<User> { new("Alice", "alice@example.com") };
User found = users.FirstOrDefault(u => u.Name == "Bob"); // 見つからない → null
Console.WriteLine(found.Email); // NullReferenceException!

// GOOD: null チェックをしてから使う
User? found2 = users.FirstOrDefault(u => u.Name == "Bob");
if (found2 is not null)
    Console.WriteLine(found2.Email);

// または C# 6+ の null 条件演算子
Console.WriteLine(found2?.Email ?? "ユーザーが見つかりません");

var dict = new Dictionary<string, string>
{
    ["key1"] = "value1"
};

// BAD: [] でアクセスすると KeyNotFoundException（存在しない場合）
// BAD: TryGetValue で取得した変数が null の可能性を見落とす
if (dict.TryGetValue("key2", out string value))
{
    // key2 が存在しないのでここには入らない
}
// value は null（string はデフォルト null）
Console.WriteLine(value.ToUpper()); // NullReferenceException!

// GOOD: TryGetValue の成功時のみ使用、または GetValueOrDefault
string? safeValue = dict.GetValueOrDefault("key2"); // null が返る（例外なし）
Console.WriteLine(safeValue?.ToUpper() ?? "キーなし");

var names = new string?[] { "Alice", null, "Charlie", null };

// BAD: null 要素に対してメソッドを呼ぶ
var upper = names.Select(n => n.ToUpper()); // 実行時に null で NullReferenceException
foreach (var u in upper) Console.WriteLine(u); // ← ここで例外

// GOOD: null をフィルタしてから処理
var upper2 = names
    .Where(n => n is not null)
    .Select(n => n!.ToUpper()); // ! は nullable 抑制演算子（null 除去済みのため安全）

// GOOD: null 条件演算子で変換
var upper3 = names.Select(n => n?.ToUpper() ?? "(null)");

// BAD: 参照型の配列は各要素が null で初期化される
var users = new User[3];
Console.WriteLine(users[0].Name); // NullReferenceException!

// GOOD: 使う前に各要素を初期化する
var users2 = new User[3];
for (int i = 0; i < users2.Length; i++)
    users2[i] = new User($"User{i}", "");

// GOOD: コレクション初期化子を使う
var users3 = new[]
{
    new User("Alice", "alice@example.com"),
    new User("Bob",   "bob@example.com"),
};

// 深いオブジェクト階層で途中が null になりうる
var order = GetOrder(); // Order? を返す

// BAD: 途中の Customer または Address が null かもしれない
string city = order.Customer.Address.City; // どこかが null なら例外

// GOOD: null 条件演算子 ?. でチェーン全体を安全に辿る
string? city2 = order?.Customer?.Address?.City;
Console.WriteLine(city2 ?? "住所不明");

// BAD: async メソッドが null を返してしまう
async Task<string?> FetchDataAsync()
{
    try
    {
        var result = await httpClient.GetStringAsync(url);
        return result;
    }
    catch
    {
        return null; // エラー時に null を返す
    }
}

// 呼び出し側でチェックしないとバグになる
string data = await FetchDataAsync();
Console.WriteLine(data.Length); // NullReferenceException の可能性!

// GOOD: 呼び出し側で null チェック
string? data2 = await FetchDataAsync();
if (data2 is null) throw new InvalidOperationException("データ取得に失敗しました");
Console.WriteLine(data2.Length); // 安全

class Button
{
    public event EventHandler? Clicked;

    // BAD: null チェックなしで呼ぶ
    public void BadClick()
    {
        Clicked(this, EventArgs.Empty); // ハンドラー未登録なら NullReferenceException!
    }

    // GOOD: null 条件演算子で安全に呼ぶ
    public void GoodClick()
    {
        Clicked?.Invoke(this, EventArgs.Empty); // 未登録なら何もしない
    }
}

object obj = "Hello";

// BAD: as キャストは失敗すると null を返す（例外ではない）
Animal? animal = obj as Animal; // null
Console.WriteLine(animal.Name); // NullReferenceException!

// GOOD: is でキャストと null チェックを同時に
if (obj is Animal a)
{
    Console.WriteLine(a.Name); // 安全（null にならない）
}

// GOOD: null チェックしてから使う
Animal? animal2 = obj as Animal;
if (animal2 is not null)
    Console.WriteLine(animal2.Name);

// BAD: 静的フィールドが初期化される前にアクセス
class Config
{
    public static Settings? Current; // null のまま

    public static void Initialize() => Current = new Settings();
}

// Initialize() を呼ぶ前に Current を使うと null
Config.Current.Load(); // NullReferenceException!

// GOOD: 遅延初期化パターン
class Config2
{
    private static Settings? _current;
    public static Settings Current => _current ??= new Settings();
}

string? text = GetText();

// ─── ?. : null なら null を返してチェーンを打ち切る ──
int?   length   = text?.Length;      // null なら null（int?）
string? upper   = text?.ToUpper();   // null なら null
bool?  isEmpty  = text?.StartsWith("A"); // null なら null

// ─── メソッドチェーンにも使える ──────────────────
string? trimmed = text?.Trim()?.ToUpper();

// ─── ?[] : コレクションや配列への null 安全なアクセス
string[]? arr = GetArray(); // null かもしれない配列
string? first = arr?[0];    // arr が null なら null（IndexOutOfRangeException は防げない）

Dictionary<string, User>? cache = GetCache();
User? user = cache?["alice"]; // cache が null なら null

// ─── イベント発火の定石 ────────────────────────
EventHandler? handler = MyEvent;
handler?.Invoke(this, EventArgs.Empty);

string? name = null;

// ─── ??: 左辺が null なら右辺を返す ──────────────
string display = name ?? "名前なし";      // "名前なし"
int length     = name?.Length ?? 0;     // 0

// ─── 連鎖できる ──────────────────────────────────
string result = GetPrimary() ?? GetSecondary() ?? "デフォルト";

// ─── ??=: 左辺が null の場合のみ右辺を代入 (.NET Standard 2.1+)
List<string>? items = null;
items ??= new List<string>(); // items が null なら new List を代入
items.Add("apple"); // 安全

// 遅延初期化パターンで頻繁に使う
private string? _cachedValue;
public string CachedValue => _cachedValue ??= ComputeExpensiveValue();

// ─── throw と組み合わせたガード節 ────────────────
string? config = GetConfig();
string safe = config ?? throw new InvalidOperationException("設定が見つかりません");

string? name = GetName();

// ─── null チェックの書き方比較 ───────────────────
bool old1 = name == null;      // 旧来（演算子オーバーロードに影響される可能性）
bool old2 = name is null;      // C# 7+: == と同等だが演算子オーバーロード不影響
bool new1 = name is not null;  // C# 9+: 最も明確

// ─── if 文での使い方 ─────────────────────────────
if (name is null)
{
    Console.WriteLine("名前が未設定です");
    return;
}
// ここから先は name が null でないことをコンパイラが保証
Console.WriteLine(name.Length); // 警告なし

// ─── switch 式との組み合わせ ──────────────────────
string description = name switch
{
    null        => "未設定",
    "" or "   " => "空",         // パターンマッチングで空白も処理
    var n when n.Length > 10 => $"長い名前: {n}",
    var n       => $"名前: {n}",
};

// ─── 型チェックと同時に null チェック ────────────
object? obj = GetObject();
if (obj is string s && s.Length > 0)
{
    Console.WriteLine(s.ToUpper()); // s は string かつ非 null・非空
}

// ─── 旧来の書き方（.NET 5 以前）─────────────────
public void OldProcess(string name, User user)
{
    if (name is null) throw new ArgumentNullException(nameof(name));
    if (user is null) throw new ArgumentNullException(nameof(user));
    // ... 処理
}

// ─── .NET 6+: ArgumentNullException.ThrowIfNull ─
public void NewProcess(string name, User user)
{
    ArgumentNullException.ThrowIfNull(name);
    ArgumentNullException.ThrowIfNull(user);
    // ... 処理（name, user が null でないことが保証される）
}

// ─── .NET 7+: ArgumentException.ThrowIfNullOrEmpty (文字列専用)
public void StringProcess(string name)
{
    ArgumentException.ThrowIfNullOrEmpty(name);   // null か空文字で例外
    ArgumentException.ThrowIfNullOrWhiteSpace(name); // null・空・空白で例外
    // ... 処理
}

// ─── primary constructor での使い方（C# 12）──────
class UserService(IRepository repository)
{
    private readonly IRepository _repo
        = repository ?? throw new ArgumentNullException(nameof(repository));
}

string? s1 = null;
string? s2 = "";
string? s3 = "   "; // 空白のみ
string? s4 = "Hello";

// ─── string.IsNullOrEmpty: null か空文字のチェック ─
Console.WriteLine(string.IsNullOrEmpty(s1)); // true
Console.WriteLine(string.IsNullOrEmpty(s2)); // true
Console.WriteLine(string.IsNullOrEmpty(s3)); // false（空白は空文字でない）
Console.WriteLine(string.IsNullOrEmpty(s4)); // false

// ─── string.IsNullOrWhiteSpace: null・空・空白をまとめてチェック
Console.WriteLine(string.IsNullOrWhiteSpace(s1)); // true
Console.WriteLine(string.IsNullOrWhiteSpace(s2)); // true
Console.WriteLine(string.IsNullOrWhiteSpace(s3)); // true ← 空白もはじく
Console.WriteLine(string.IsNullOrWhiteSpace(s4)); // false

// ─── 使い分けの目安 ──────────────────────────────
// バリデーション（ユーザー入力）: IsNullOrWhiteSpace（スペースのみ入力も弾く）
// 内部ロジック（空文字を意味ある値として扱う）: IsNullOrEmpty

// ─── ?? と組み合わせてデフォルト値を使う ─────────
string display = string.IsNullOrWhiteSpace(s3) ? "（未入力）" : s3;

// ─── null と空文字を統一的に扱う ─────────────────
string? raw = GetUserInput(); // null か空の可能性あり
string normalized = raw?.Trim() is { Length: > 0 } trimmed ? trimmed : "（空欄）";

// BAD: 結果なし → null を返すとすべての呼び出し側で null チェックが必要
public List<Product>? BadSearch(string keyword)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(keyword)) return null;
    return _db.Where(p => p.Name.Contains(keyword)).ToList();
}

// GOOD: 結果なし → 空のコレクションを返す（呼び出し側の null チェック不要）
public List<Product> GoodSearch(string keyword)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(keyword)) return new List<Product>();
    return _db.Where(p => p.Name.Contains(keyword)).ToList();
}

// 使い方の比較
// BAD:
var result = BadSearch("apple");
if (result != null) // 毎回チェックが必要
    foreach (var p in result)
        Console.WriteLine(p.Name);

// GOOD:
foreach (var p in GoodSearch("apple")) // チェック不要
    Console.WriteLine(p.Name);

// インターフェースを定義
interface ILogger
{
    void Log(string message);
}

// 実際のロガー
class ConsoleLogger : ILogger
{
    public void Log(string message) => Console.WriteLine($"[LOG] {message}");
}

// Null Object: 何もしないロガー（null の代替）
class NullLogger : ILogger
{
    public static readonly NullLogger Instance = new();
    private NullLogger() { }
    public void Log(string message) { } // 何もしない
}

// 利用側
class OrderService
{
    private readonly ILogger _logger;

    // logger が渡されなければ NullLogger を使う（null チェック不要）
    public OrderService(ILogger? logger = null)
    {
        _logger = logger ?? NullLogger.Instance;
    }

    public void Process()
    {
        _logger.Log("処理開始"); // logger が null でも例外が出ない
        // ...
    }
}

// ! 演算子: コンパイラに「ここでは null にならない」と伝える
// 実際に null が入っていると実行時に NullReferenceException が発生するため注意

// ─── 適切な使い方 ─────────────────────────────────
// テストコードや、文脈からnullにならないと確実に分かる場面
string? name = FindUser("admin")?.Name;
// DB に admin は必ず存在すると保証されているロジックで
string definitelyHasName = name!; // コンパイラ警告を抑制

// ─── 不適切な使い方（！を濫用するとnullableの恩恵がなくなる）────
string? value = GetValue();
string forced = value!; // null の可能性を無視して強制 → 爆弾を仕込むのと同じ
Console.WriteLine(forced.Length); // value が null なら実行時に例外

// ─── 推奨: ! より ?? throw を使う ────────────────
string safe = GetValue() ?? throw new InvalidOperationException("値が取得できません");

record User(int Id, string Name, string? Email, Address? Address);
record Address(string City, string? PostalCode);

class UserService
{
    private readonly Dictionary<int, User> _users = new();

    // ─── null を返すのではなく例外で知らせる ─────
    public User GetUserById(int id)
    {
        if (id <= 0) throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(id), "ID は 1 以上を指定してください");

        return _users.TryGetValue(id, out var user)
            ? user
            : throw new KeyNotFoundException($"ユーザーID={id} が見つかりません");
    }

    // ─── null を許容する場合は戻り値型を User? にする
    public User? FindUserByName(string name)
    {
        ArgumentException.ThrowIfNullOrEmpty(name);
        return _users.Values.FirstOrDefault(u =>
            u.Name.Equals(name, StringComparison.OrdinalIgnoreCase));
    }

    // ─── ユーザーの住所を安全に取得（多段 null）──
    public string GetUserCity(int id)
    {
        var user = FindUserByName(id.ToString());
        // ?. チェーンで安全に辿り、null なら "未設定" を返す
        return user?.Address?.City ?? "未設定";
    }

    // ─── 複数ユーザーを安全に取得（空コレクションを返す）
    public IReadOnlyList<User> GetUsersByCity(string city)
    {
        ArgumentException.ThrowIfNullOrWhiteSpace(city);
        return _users.Values
            .Where(u => u.Address?.City == city)
            .ToList()
            .AsReadOnly();
    }

    // ─── ユーザー情報の表示（null 安全な文字列生成）
    public string FormatUser(int id)
    {
        var user = _users.GetValueOrDefault(id);
        if (user is null) return "（ユーザーなし）";

        string email   = user.Email ?? "メールなし";
        string city    = user.Address?.City ?? "住所なし";
        string postal  = user.Address?.PostalCode ?? "-";

        return $"{user.Name}（{email}）/ {city} {postal}";
    }
}

string[]? arr = new string[] { null, "Hello" };

// arr が null → arr?[0] は null（例外なし）  ← これは OK
// arr が非 null、arr[0] が null → arr?[0] は null（例外なし） ← これも OK
string? first = arr?[0]; // null（インデックス 0 の要素が null）

// しかし arr?[0] の結果に対してメソッドを呼ぶと?
string? upper = arr?[0]?.ToUpper(); // これは OK（?. を重ねる）

// BAD: arr?[0] が null で .ToUpper() を呼ぶ
// string upper2 = arr?[0].ToUpper(); // arr が非 null かつ arr[0] が null → 例外!
// ↑ ?. は arr に対してのみ適用され、arr[0] の null は保護されない