--- title: Java 21 新特性概览(重要) description: 概览 JDK 21 的关键新特性与实践影响，重点介绍字符串模板、Sequenced Collections、分代 ZGC、虚拟线程等。 category: Java tag: - Java新特性 head: - - meta - name: keywords content: Java 21,JDK21,LTS,字符串模板,Sequenced Collections,分代 ZGC,记录模式,switch 模式匹配,虚拟线程,外部函数与内存 API --- 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。 JDK 21 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: String Templates（字符串模板）](https://openjdk.org/jeps/430)（预览） - [JEP 431: Sequenced Collections（序列化集合）](https://openjdk.org/jeps/431) - [JEP 439: Generational ZGC（分代 ZGC）](https://openjdk.org/jeps/439) - [JEP 440: Record Patterns（记录模式）](https://openjdk.org/jeps/440) - [JEP 441: Pattern Matching for switch（switch 的模式匹配）](https://openjdk.org/jeps/441) - [JEP 442: Foreign Function & Memory API（外部函数和内存 API）](https://openjdk.org/jeps/442)（第三次预览） - [JEP 443: Unnamed Patterns and Variables（未命名模式和变量）](https://openjdk.org/jeps/443)（预览） - [JEP 444: Virtual Threads（虚拟线程）](https://openjdk.org/jeps/444) - [JEP 445: Unnamed Classes and Instance Main Methods（未命名类和实例 main 方法）](https://openjdk.org/jeps/445)（预览） 下图是从 JDK 8 到 JDK 24 每个版本的更新带来的新特性数量和更新时间：  ## JEP 430: String Templates（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）在大多数编程语言中都存在: ```typescript "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： ```java //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： ```java 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。 ```java String name = "Lokesh"; //STR String message = STR."Greetings \{name}."; //FMT String message = FMT."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，只需要继承 `StringTemplate.Processor`接口，然后实现 `process` 方法即可。 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： ```java //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： ```java 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: ```java String time = STR."The current time is \{ //sample comment - current time in HH:mm:ss DateTimeFormatter .ofPattern("HH:mm:ss") .format(LocalTime.now()) }."; ``` ## JEP 431: Sequenced Collections（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`](https://docs.oracle.com/en/java/javase/21/docs/api/java.base/java/util/SequencedCollection.html) - [`SequencedSet`](https://docs.oracle.com/en/java/javase/21/docs/api/java.base/java/util/SequencedSet.html) - [`SequencedMap`](https://docs.oracle.com/en/java/javase/21/docs/api/java.base/java/util/SequencedMap.html) `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。 ```java interface SequencedCollection extends Collection { // New Method SequencedCollection reversed(); // Promoted methods from Deque 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： ```java ArrayList 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 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。 ```java interface SequencedSet extends SequencedCollection, Set { SequencedSet 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： ```java LinkedHashSet 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 [4, 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。 ```java interface SequencedMap extends Map { // New Methods SequencedMap reversed(); SequencedSet sequencedKeySet(); SequencedCollection sequencedValues(); SequencedSet> sequencedEntrySet(); V putFirst(K, V); V putLast(K, V); // Promoted Methods from NavigableMap Entry firstEntry(); Entry lastEntry(); Entry pollFirstEntry(); Entry 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： ```java LinkedHashMap 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 first = map.pollFirstEntry(); //1=One Map.Entry 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: Generational ZGC（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： ```bash // 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: Record Patterns（记录模式） 记录模式在 Java 19 进行了第一次预览， 由 [JEP 405](https://openjdk.org/jeps/405) 提出。JDK 20 中是第二次预览，由 [JEP 432](https://openjdk.org/jeps/432) 提出。最终，记录模式在 JDK21 顺利转正。 [Java 20 新特性概览](./java20.md)已经详细介绍过记录模式，这里就不重复了。 ## JEP 441: Pattern Matching for switch（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。 ```java 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: Foreign Function & Memory API（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 412](https://openjdk.java.net/jeps/412) 提出。Java 18 中进行了第二次孵化，由[JEP 419](https://openjdk.org/jeps/419) 提出。Java 19 中是第一次预览，由 [JEP 424](https://openjdk.org/jeps/424) 提出。JDK 20 中是第二次预览，由 [JEP 434](https://openjdk.org/jeps/434) 提出。JDK 21 中是第三次预览，由 [JEP 442](https://openjdk.org/jeps/442) 提出。 在 [Java 19 新特性概览](./java19.md) 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: Unnamed Patterns and Variables（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。 ```java 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。 ```java 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: Virtual Threads（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 425](https://openjdk.org/jeps/425)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](./java20.md)已经详细介绍过虚拟线程，这里就不重复了。 ## JEP 445: Unnamed Classes and Instance Main Methods（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： ```java 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： ```java 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)： ```java void main() { System.out.println("Hello, World!"); } ``` ## 参考 - Java 21 String Templates： - Java 21 Sequenced Collections：