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Java 21 新特性概览(重要)

InvokerJavaJava新特性大约 9 分钟

JDK 21 于 2023 年 9 月 19 日 发布，这是一个非常重要的版本，里程碑式。

JDK21 是 LTS（长期支持版），至此为止，目前有 JDK8、JDK11、JDK17 和 JDK21 这四个长期支持版了。

JDK 21 共有 15 个新特性，这篇文章会挑选其中较为重要的一些新特性进行详细介绍：

JEP 430：字符串模板（预览）

String Templates(字符串模板) 目前仍然是 JDK 21 中的一个预览功能。

String Templates 提供了一种更简洁、更直观的方式来动态构建字符串。通过使用占位符${}，我们可以将变量的值直接嵌入到字符串中，而不需要手动处理。在运行时，Java 编译器会将这些占位符替换为实际的变量值。并且，表达式支持局部变量、静态/非静态字段甚至方法、计算结果等特性。

实际上，String Templates（字符串模板）再大多数编程语言中都存在:

"Greetings {{ name }}!";  //Angular
`Greetings ${ name }!`;    //Typescript
$"Greetings { name }!"    //Visual basic
f"Greetings { name }!"    //Python

Java 在没有 String Templates 之前，我们通常使用字符串拼接或格式化方法来构建字符串：

//concatenation
message = "Greetings " + name + "!";

//String.format()
message = String.format("Greetings %s!", name);  //concatenation

//MessageFormat
message = new MessageFormat("Greetings {0}!").format(name);

//StringBuilder
message = new StringBuilder().append("Greetings ").append(name).append("!").toString();

这些方法或多或少都存在一些缺点，比如难以阅读、冗长、复杂。

Java 使用 String Templates 进行字符串拼接，可以直接在字符串中嵌入表达式，而无需进行额外的处理：

String message = STR."Greetings \{name}!";

在上面的模板表达式中：

  • STR 是模板处理器。
  • \{name}为表达式，运行时，这些表达式将被相应的变量值替换。

Java 目前支持三种模板处理器：

  • STR：自动执行字符串插值，即将模板中的每个嵌入式表达式替换为其值（转换为字符串）。
  • FMT：和 STR 类似，但是它还可以接受格式说明符，这些格式说明符出现在嵌入式表达式的左边，用来控制输出的样式
  • RAW：不会像 STR 和 FMT 模板处理器那样自动处理字符串模板，而是返回一个 StringTemplate 对象，这个对象包含了模板中的文本和表达式的信息
String name = "Lokesh";

//STR
String message = STR."Greetings \{name}.";

//FMT
String message = STR."Greetings %-12s\{name}.";

//RAW
StringTemplate st = RAW."Greetings \{name}.";
String message = STR.process(st);

除了 JDK 自带的三种模板处理器外，你还可以实现 StringTemplate.Processor 接口来创建自己的模板处理器。

我们可以使用局部变量、静态/非静态字段甚至方法作为嵌入表达式：

//variable
message = STR."Greetings \{name}!";

//method
message = STR."Greetings \{getName()}!";

//field
message = STR."Greetings \{this.name}!";

还可以在表达式中执行计算并打印结果：

int x = 10, y = 20;
String s = STR."\{x} + \{y} = \{x + y}";  //"10 + 20 = 30"

为了提高可读性，我们可以将嵌入的表达式分成多行:

String time = STR."The current time is \{
    //sample comment - current time in HH:mm:ss
    DateTimeFormatter
      .ofPattern("HH:mm:ss")
      .format(LocalTime.now())
  }.";

JEP431：序列化集合

JDK 21 引入了一种新的集合类型：Sequenced Collections（序列化集合，也叫有序集合），这是一种具有确定出现顺序（encounter order）的集合（无论我们遍历这样的集合多少次，元素的出现顺序始终是固定的）。序列化集合提供了处理集合的第一个和最后一个元素以及反向视图（与原始集合相反的顺序）的简单方法。

Sequenced Collections 包括以下三个接口：

SequencedCollection 接口继承了 Collection接口， 提供了在集合两端访问、添加或删除元素以及获取集合的反向视图的方法。

interface SequencedCollection<E> extends Collection<E> {

  // New Method

  SequencedCollection<E> reversed();

  // Promoted methods from Deque<E>

  void addFirst(E);
  void addLast(E);

  E getFirst();
  E getLast();

  E removeFirst();
  E removeLast();
}

List 和 Deque 接口实现了SequencedCollection 接口。

这里以 ArrayList 为例，演示一下实际使用效果：

ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();

arrayList.add(1);   // List contains: [1]

arrayList.addFirst(0);  // List contains: [0, 1]
arrayList.addLast(2);   // List contains: [0, 1, 2]

Integer firstElement = arrayList.getFirst();  // 0
Integer lastElement = arrayList.getLast();  // 2

List<Integer> reversed = arrayList.reversed();
System.out.println(reversed); // Prints [2, 1, 0]

SequencedSet接口直接继承了 SequencedCollection 接口并重写了 reversed() 方法。

interface SequencedSet<E> extends SequencedCollection<E>, Set<E> {

    SequencedSet<E> reversed();
}

SortedSet 和 LinkedHashSet 实现了SequencedSet接口。

这里以 LinkedHashSet 为例，演示一下实际使用效果：

LinkedHashSet<Integer> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>(List.of(1, 2, 3));

Integer firstElement = linkedHashSet.getFirst();   // 1
Integer lastElement = linkedHashSet.getLast();    // 3

linkedHashSet.addFirst(0);  //List contains: [0, 1, 2, 3]
linkedHashSet.addLast(4);   //List contains: [0, 1, 2, 3, 4]

System.out.println(linkedHashSet.reversed());   //Prints [5, 3, 2, 1, 0]

SequencedMap 接口继承了 Map接口， 提供了在集合两端访问、添加或删除键值对、获取包含 key 的 SequencedSet、包含 value 的 SequencedCollection、包含 entry（键值对） 的 SequencedSet以及获取集合的反向视图的方法。

interface SequencedMap<K,V> extends Map<K,V> {

  // New Methods

  SequencedMap<K,V> reversed();

  SequencedSet<K> sequencedKeySet();
  SequencedCollection<V> sequencedValues();
  SequencedSet<Entry<K,V>> sequencedEntrySet();

  V putFirst(K, V);
  V putLast(K, V);


  // Promoted Methods from NavigableMap<K, V>

  Entry<K, V> firstEntry();
  Entry<K, V> lastEntry();

  Entry<K, V> pollFirstEntry();
  Entry<K, V> pollLastEntry();
}

SortedMap 和LinkedHashMap 实现了SequencedMap 接口。

这里以 LinkedHashMap 为例，演示一下实际使用效果：

LinkedHashMap<Integer, String> map = new LinkedHashMap<>();

map.put(1, "One");
map.put(2, "Two");
map.put(3, "Three");

map.firstEntry();   //1=One
map.lastEntry();    //3=Three

System.out.println(map);  //{1=One, 2=Two, 3=Three}

Map.Entry<Integer, String> first = map.pollFirstEntry();   //1=One
Map.Entry<Integer, String> last = map.pollLastEntry();    //3=Three

System.out.println(map);  //{2=Two}

map.putFirst(1, "One");     //{1=One, 2=Two}
map.putLast(3, "Three");    //{1=One, 2=Two, 3=Three}

System.out.println(map);  //{1=One, 2=Two, 3=Three}
System.out.println(map.reversed());   //{3=Three, 2=Two, 1=One}

JEP 439：分代 ZGC

JDK21 中对 ZGC 进行了功能扩展，增加了分代 GC 功能。不过，默认是关闭的，需要通过配置打开：

// 启用分代ZGC
java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational ...

在未来的版本中，官方会把 ZGenerational 设为默认值，即默认打开 ZGC 的分代 GC。在更晚的版本中，非分代 ZGC 就被移除。

In a future release we intend to make Generational ZGC the default, at which point -XX:-ZGenerational will select non-generational ZGC. In an even later release we intend to remove non-generational ZGC, at which point the ZGenerational option will become obsolete.

在将来的版本中，我们打算将 Generational ZGC 作为默认选项，此时-XX:-ZGenerational 将选择非分代 ZGC。在更晚的版本中，我们打算移除非分代 ZGC，此时 ZGenerational 选项将变得过时。

分代 ZGC 可以显著减少垃圾回收过程中的停顿时间，并提高应用程序的响应性能。这对于大型 Java 应用程序和高并发场景下的性能优化非常有价值。

JEP 440：记录模式

记录模式在 Java 19 进行了第一次预览， 由 JEP 405open in new window 提出。JDK 20 中是第二次预览，由 JEP 432open in new window 提出。最终，记录模式在 JDK21 顺利转正。

Java 20 新特性概览已经详细介绍过记录模式，这里就不重复了。

JEP 441：switch 的模式匹配

增强 Java 中的 switch 表达式和语句，允许在 case 标签中使用模式。当模式匹配时，执行 case 标签对应的代码。

在下面的代码中，switch 表达式使用了类型模式来进行匹配。

static String formatterPatternSwitch(Object obj) {
    return switch (obj) {
        case Integer i -> String.format("int %d", i);
        case Long l    -> String.format("long %d", l);
        case Double d  -> String.format("double %f", d);
        case String s  -> String.format("String %s", s);
        default        -> obj.toString();
    };
}

JEP 442: 外部函数和内存 API（第三次预览）

Java 程序可以通过该 API 与 Java 运行时之外的代码和数据进行互操作。通过高效地调用外部函数（即 JVM 之外的代码）和安全地访问外部内存（即不受 JVM 管理的内存），该 API 使 Java 程序能够调用本机库并处理本机数据，而不会像 JNI 那样危险和脆弱。

外部函数和内存 API 在 Java 17 中进行了第一轮孵化，由 JEP 412open in new window 提出。Java 18 中进行了第二次孵化，由JEP 419open in new window 提出。Java 19 中是第一次预览，由 JEP 424open in new window 提出。JDK 20 中是第二次预览，由 JEP 434open in new window 提出。JDK 21 中是第三次预览，由 JEP 442open in new window 提出。

在 Java 19 新特性概览 中，我有详细介绍到外部函数和内存 API，这里就不再做额外的介绍了。

JEP 443：未命名模式和变量（预览）

未命名模式和变量使得我们可以使用下划线 _ 表示未命名的变量以及模式匹配时不使用的组件，旨在提高代码的可读性和可维护性。

未命名变量的典型场景是 try-with-resources 语句、 catch 子句中的异常变量和for循环。当变量不需要使用的时候就可以使用下划线 _代替，这样清晰标识未被使用的变量。

try (var _ = ScopedContext.acquire()) {
  // No use of acquired resource
}
try { ... }
catch (Exception _) { ... }
catch (Throwable _) { ... }

for (int i = 0, _ = runOnce(); i < arr.length; i++) {
  ...
}

未命名模式是一个无条件的模式，并不绑定任何值。未命名模式变量出现在类型模式中。

if (r instanceof ColoredPoint(_, Color c)) { ... c ... }

switch (b) {
    case Box(RedBall _), Box(BlueBall _) -> processBox(b);
    case Box(GreenBall _)                -> stopProcessing();
    case Box(_)                          -> pickAnotherBox();
}

JEP 444：虚拟线程

虚拟线程是一项重量级的更新，一定一定要重视！

虚拟线程在 Java 19 中进行了第一次预览，由JEP 425open in new window提出。JDK 20 中是第二次预览。最终，虚拟线程在 JDK21 顺利转正。

Java 20 新特性概览已经详细介绍过虚拟线程，这里就不重复了。

JEP 445：未命名类和实例 main 方法 （预览）

这个特性主要简化了 main 方法的的声明。对于 Java 初学者来说，这个 main 方法的声明引入了太多的 Java 语法概念，不利于初学者快速上手。

没有使用该特性之前定义一个 main 方法：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

使用该新特性之后定义一个 main 方法：

class HelloWorld {
    void main() {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

进一步精简(未命名的类允许我们不定义类名)：

void main() {
   System.out.println("Hello, World!");
}

参考

Invoker的学习笔记
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