Java 21 新特性和改进

Java 21 是 Java 17 之后的下一个 LTS 版本。虚拟线程在 Java 21 中将成为正式功能。可以预期的是，Java 21 会成为一个很流行的 Java 版本。

Java 21 将在 2023 年 9 月 19 日发布。目前 Java 21 包含的内容已经基本确定了。下面来梳理一下 Java 21 中会包含的内容。

正式功能

虚拟线程 （Virtual Threads）

自从 Java 19 中引入之后，虚拟线程已经成为了 Java 社区中火热的话题。虚拟线程会改变 Java 的多线程编程。虚拟线程会成为 Java 21 的杀手锏功能，促使更多用户升级到 Java 21。

顺序集合（Sequenced Collections)

顺序集合中的元素有确定的出现顺序（encounter order）。Java 21 新增了与顺序集合相关的接口，统一了与顺序集合相关的操作，包括获取第一个和最后一个元素，在集合的头部和尾部插入和删除元素，以及逆序遍历集合等。

新增的顺序集合相关的接口包括 SequencedCollection、SequencedSet 和 SequencedMap。Java 集合框架中的已有类也进行了调整。更新之后的集合框架的类结构如下图所示。

记录类型的模式（Record Patterns）

记录类型的模式可以解构记录对象中的值，可以方便地提取记录中的组件。

比如下面的记录类型 Point：

record Point(int x, int y) {}

通过下面的方式就可以解构出 Point 中的组件 x 和 y。

static void printSum(Object obj) {
    if (obj instanceof Point(int x, int y)) {
        System.out.println(x + y);
    }
}

switch 的模式匹配（Pattern Matching for switch）

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();
    };
}

分代式 ZGC （Generational ZGC）

增强 Z 垃圾回收器（ZGC）来支持不同的世代。年轻和年老的对象分别存放在不同的世代中，使得年轻的对象可以更加频繁的被回收。

废弃 Windows 32 位版本（Deprecate the Windows 32-bit x86 Port for Removal）

废弃 Windows 32 位 x86 版本，将在以后的 OpenJDK 版本中删除。之所以废弃 Windows 32位 x86 版本， 主要有几个动机：

Windows 10，支持 32 位的最后一个 Windows 操作系统，将在2025年10月终止。结束对 Windows 32位 x86 版本的支持，可以把精力转移到更加重要的事情上。

另外一个原因是，虚拟线程在 Windows 32 位 x86 版本的实现回退到了使用内核线程，没办法享受到 Loom 项目带来的好处。

预览功能

未命名类和实例 main 方法 （Unnamed Classes and Instance Main Methods）

该 JEP 的目标是简化 Java 的入口类。一直以来，Java 的入口类的 main 方法的声明有着很严格的要求，必须是 public static void main(String[] args)。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。

在经过简化之后，不再对 main 方法的声明进行严格的限制，而是允许多种声明方式。具体来说， 在启动的入口类中会按照如下顺序依次查找 main 方法：

• 首先是 public static void main(String[] args) 方法，

• 其次是声明为 protected 或 package 的 static void main(String[] args) 方法，

• 接着是非私有的 static void main() 方法，

• 然后是非私有的实例方法 void main(String[] args)，

• 最后是非私有的实例方法 void main()。

对于后面两种情况，由于调用的是实例方法，需要有入口类的实例。这就要求入口类有一个非私有的，不带任何参数的构造方法。在启动时，首先创建出入口类的对象，再调用对象的 main 方法。

未命名类允许省略外层的 Java 类声明，直接把 main 方法作为顶层元素，写在 Java 源代码文件中。main 方法所依赖的其他方法和字段，也同样作为顶层元素。Java 编译器会自动生成一个匿名类，并调用其中的 main 方法。

在对入口类进行简化之后，只需要下面的代码就可以了。

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

字符串模板 （String Templates）

字符串模板是 Java 一直以来缺少的功能。Java 21 的字符串模板是一个通用的实现，可以把任何字符串转换成任意类型的对象。

字符串模板的实现由两个部分组成，分别是 StringTemplate 表示的模板，以及 StringTemplate.Processor 表示的模板处理器。StringTemplate 表示的模板中包含需要求值的表达式，如 \{name} 表示获取 name 的值。

Java 内置提供了几个模板处理器的实现。STR 用来对包含表达式的字符串模板进行求值。这是通常意义上的字符串模板的用法。

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

FMT 可以进行格式化，使用的是 java.util.Formatter 支持的语法。

record Rectangle(String name, double width, double height) {
    double area() {
        return width * height;
    }
}
Rectangle[] zone = new Rectangle[] {
    new Rectangle("Alfa", 17.8, 31.4),
    new Rectangle("Bravo", 9.6, 12.4),
    new Rectangle("Charlie", 7.1, 11.23),
};
String table = FMT."""
    Description     Width    Height     Area
    %-12s\{zone[0].name}  %7.2f\{zone[0].width}  %7.2f\{zone[0].height}     %7.2f\{zone[0].area()}
    %-12s\{zone[1].name}  %7.2f\{zone[1].width}  %7.2f\{zone[1].height}     %7.2f\{zone[1].area()}
    %-12s\{zone[2].name}  %7.2f\{zone[2].width}  %7.2f\{zone[2].height}     %7.2f\{zone[2].area()}
    \{" ".repeat(28)} Total %7.2f\{zone[0].area() + zone[1].area() + zone[2].area()}
    """;

RAW 生成一个不对字符串做任何处理的 StringTemplate 对象。

可以创建自定义的字符串模板处理器来生成非 String 类型的对象。下面代码中的 JSON 从字符串模板中生成 JSONObject 对象。

var JSON = StringTemplate.Processor.of(
        (StringTemplate st) -> new JSONObject(st.interpolate())
    );

未命名模式和变量 （Unnamed Patterns and Variables）

下划线终于来了。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。

未命名变量的典型场景是 try-with-resources 语句和 catch 子句中的异常变量。

try (var _ = ScopedContext.acquire()) {
    
}

try { ... } 
catch (Exception _) { ... } 
catch (Throwable _) { ... }

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();
}

外部方法和内存 API （Foreign Function & Memory API）

外部方法和内存 API提供了一种新的方式来与 Java 运行时之外的代码和数据来进行互操作。该 API 可以高效调用外部方法，并安全访问外部内存。该 API 用来替代 JNI。

Java 21 中是该 API 的第 3 个预览版。

孵化功能

矢量 API （Vector API）

Vector API 是 OpenJDK 中 Panama 项目的一部分。Vector API 的作用是描述矢量计算，并在运行时编译成 CPU 架构上的矢量计算指令。

矢量是一组标量值的序列。标量值的数量取决于硬件定义的 vector lane 的数量。在对两个矢量进行计算时，会在每条 lane 上对两个矢量相应的标量值进行计算。通过并行计算，两个矢量计算的速度与单个标量值的计算速度是相同的，极大地提高了计算速度。这被称为 SIMD（Single Instruction Multiple Data），单指令多数据。

HotSpot 虚拟机已经支持自动的矢量化，但是存在很大的局限性，开发人员难以有效的利用。Vector API 提供了一种方式来编写复杂的矢量算法。虽然底层仍然使用的是 HotSpot 的自动矢量化，但是矢量化的结果更加可靠。

试验功能

分代式 Shenandoah（Generational Shenandoah）

为垃圾回收器 Shenandoah 增加了分代式支持。