JDK 21 发布，新特性概览及字符串模板详细介绍

一、新特性概览

Java 21 已于 2023 年 9 月 19 日发布，是 Oracle 标准 Java 实现的下一个长期支持（LTS）版本。Java 21 具有以下 15 项新特性。

• 430: String Templates (Preview)
  字符串模板，可以像其他语言那样子方便的做字符串拼接，是+号，StringBuilder，MessageFormat之外更方便的字符串拼接方法。
• 431: Sequenced Collections
  引入新的接口来表示具有定义相遇顺序的集合。每个这样的集合都有定义明确的第一个元素、第二个元素，以此类推，直到最后一个元素。它还提供了统一的应用程序接口，用于访问其第一个和最后一个元素，以及以相反的顺序处理其元素。
• 439: Generational ZGC
  通过扩展 Z 垃圾收集器（ZGC），为新旧对象分别保留不同的世代，从而提高应用程序的性能。这将允许 ZGC 更频繁地收集年轻代的对象（对象往往频繁地英年早逝）。
• 440: Record Patterns
  使用记录模式来解构记录值，从而增强 Java 编程语言的功能。记录模式和类型模式可以嵌套，以实现强大、声明性和可组合的数据导航和处理形式。
• 441: Pattern Matching for switch
  用模式匹配来增强 Java 编程语言的开关表达式和语句。将模式匹配扩展到开关后，表达式就可以根据多个模式（每个模式都有特定的操作）进行测试，从而可以简洁安全地表达面向数据的复杂查询。
• 442: Foreign Function & Memory API (Third Preview)
  引入一个应用程序接口（API），使 Java 程序能够与 Java 运行时之外的代码和数据互操作。通过高效地调用外来函数（即 JVM 之外的代码）和安全地访问外来内存（即 JVM 管理之外的内存），API 使 Java 程序能够调用本地库和处理本地数据，而不会出现 JNI 的脆性和危险。这是一个预览版 API。
• 443: Unnamed Patterns and Variables (Preview)
  使用未命名模式和未命名变量来增强 Java 语言的功能。未命名模式用于匹配记录组件，但不说明该组件的名称或类型；未命名变量用于初始化但不使用。两者都用下划线字符 _ 表示。这是一项预览语言功能。
• 444: Virtual Threads
  将虚拟线程引入 Java 平台。虚拟线程是一种轻量级线程，可大大减少编写、维护和观察高吞吐量并发应用程序的工作量。
• 445: Unnamed Classes and Instance Main Methods (Preview)
  使学生无需了解专为大型程序设计的语言功能，即可编写自己的第一个程序。与使用单独的 Java 不同，学生可以为单类程序编写精简的声明，然后随着技能的提高无缝扩展他们的程序，使用更高级的功能。这是一项预览语言功能。
• 446: Scoped Values (Preview)
  引入作用域值，即无需使用方法参数即可安全高效地共享给方法的值。与线程本地变量相比，它们更受青睐，尤其是在使用大量虚拟线程时。这是一个预览版 API。
• 448: Vector API (Sixth Incubator)
  引入一个应用程序接口来表达矢量计算，在运行时可靠地编译成支持的 CPU 架构上的最佳矢量指令，从而实现优于同等标量计算的性能。
• 449: Deprecate the Windows 32-bit x86 Port for Removal
  弃用32位x86的Windows发行
• 451: Prepare to Disallow the Dynamic Loading of Agents
  当代理被动态加载到运行中的 JVM 时发出警告。这些警告的目的是让用户做好准备，以便在未来的版本中默认禁止动态加载代理，从而提高默认情况下的完整性。在启动时加载代理的服务性工具在任何版本中都不会发出警告。
• 452: Key Encapsulation Mechanism API
  引入密钥封装机制（KEM）的API接口，这是一种使用公钥加密法确保对称密钥安全的加密技术。
• 453: Structured Concurrency (Preview)
  通过引入结构化并发 API 来简化并发编程。结构化并发将在不同线程中运行的一组相关任务视为一个工作单元，从而简化了错误处理和取消，提高了可靠性并增强了可观察性。这是一个预览版 API。

二、有特色的特性介绍

2.1. 字符串模板 430: String Templates (Preview)

这个特性虽然还在预览阶段，还不属于正式发布，但是若能最终进入发布，能够大大减轻了Java编程时复杂字符串的编辑处理工作量。

2.1.1. 该特性的设计目标是

• 通过简单的方式表达混合变量的字符串，简化 Java 程序的编写。
• 提高混合文本和表达式的可读性，无论文本是在单行源代码中（如字符串字面量）还是跨越多行源代码（如文本块）。
• 通过支持对模板及其嵌入式表达式的值进行验证和转换，提高根据用户提供的值组成字符串并将其传递给其他系统（如构建数据库查询）的 Java 程序的安全性。
• 允许 Java 库定义字符串模板中使用的格式化语法（java.util.Formatter ），从而保持灵活性。
• 简化接受以非 Java 语言编写的字符串（如 SQL、XML 和 JSON）的 API 的使用。
• 支持创建由字面文本和嵌入式表达式计算得出的非字符串值，而无需通过中间字符串表示。

2.1.2. 不是什么

• 我们的目标不是为 Java 的字符串连接操作符 (+) 引入语法增强。
• 我们的目标不是废弃或移除 StringBuilder 和 StringBuffer 类，这两个类历来用于复杂或程序化的字符串组合。

2.1.3. 动机

开发人员经常使用字面文本和表达式组合来组成字符串。Java 提供了多种字符串组合机制，但遗憾的是，所有机制都有缺点。

• 使用 + 运算符进行字符串连接会产生难以阅读的代码：

String s = x + " plus " + y + " equals " + (x + y);

• StringBuilder

String s = new StringBuilder()
                 .append(x)
                 .append(" plus ")
                 .append(y)
                 .append(" equals ")
                 .append(x + y)
                 .toString();

• String::format 和 String::formatted 将格式字符串从参数中分离出来

String s = String.format("%2$d plus %1$d equals %3$d", x, y, x + y);
String t = "%2$d plus %1$d equals %3$d".formatted(x, y, x + y);

• java.text.MessageFormat 需要在格式字符串中使用不方便代码阅读的数字索引，当变量数量多了，无法快速阅读

MessageFormat mf = new MessageFormat("{0} plus {1} equals {2}");
String s = mf.format(x, y, x + y);

2.1.4. 设计说明

模板表达式（Template expressions）是 Java 编程语言中的一种新型表达式。模板表达式不仅可以执行字符串插值，还可以编程，从而帮助开发人员安全高效地组成字符串。此外，模板表达式并不局限于组成字符串——它们可以根据特定领域的规则将结构化文本转化为任何类型的对象。

2.1.4.1. STR 模板处理器

STR 是 Java 平台定义的一种模板处理器。它通过用表达式的(stringified)值替换模板中的每个嵌入表达式来执行字符串插值。使用 STR 的模板表达式的求值结果是一个字符串。

STR 是一个公共静态 final 字段，会自动导入到每个 Java 源文件中。

• 下面是更多使用 STR 模板处理器的模板表达式示例。

// Embedded expressions can be strings
String firstName = "Bill";
String lastName  = "Duck";
String fullName  = STR."\{firstName} \{lastName}";
程序结果：Bill Duck
String sortName  = STR."\{lastName}, \{firstName}";
程序结果：Duck, Bill

// Embedded expressions can perform arithmetic
int x = 10, y = 20;
String s = STR."\{x} + \{y} = \{x + y}";
程序结果："10 + 20 = 30"

// Embedded expressions can invoke methods and access fields
String s = STR."You have a \{getOfferType()} waiting for you!";
程序结果："You have a gift waiting for you!"
String t = STR."Access at \{req.date} \{req.time} from \{req.ipAddress}";
程序结果：Access at 2022-03-25 15:34 from 8.8.8.8

• 重构+号拼接的字符串的示例

String filePath = "tmp.dat";
File   file     = new File(filePath);
String old = "The file " + filePath + " " + (file.exists() ? "does" : "does not") + " exist";
String msg = STR."The file \{filePath} \{file.exists() ? "does" : "does not"} exist";
程序结果：The file tmp.dat does exist
或者是：The file tmp.dat does not exist

• 为了提高可读性，嵌入式表达式可以在源文件中多行显示，而不会在结果中引入换行符。嵌入式表达式的值将在嵌入式表达式的位置插值到结果中。例如：

String time = STR."The time is \{
    // The java.time.format package is very useful
    DateTimeFormatter
      .ofPattern("HH:mm:ss")
      .format(LocalTime.now())
} right now";
程序结果：The time is 12:34:56 right now

• 字符串模板表达式中的嵌入表达式数量没有限制。嵌入式表达式从左到右依次求值，就像方法调用表达式中的参数一样。例如：

// Embedded expressions can be postfix increment expressions
int index = 0;
String data = STR."\{index++}, \{index++}, \{index++}, \{index++}";
程序结果："0, 1, 2, 3"

• 任何 Java 表达式都可以用作嵌入式表达式，甚至是模板表达式。例如

// Embedded expression is a (nested) template expression
String[] fruit = { "apples", "oranges", "peaches" };
String s = STR."\{fruit[0]}, \{STR."\{fruit[1]}, \{fruit[2]}"}";
程序结果：apples, oranges, peaches

上面的代码fruit[1]和fruit[2]所在的模板被嵌入，是不是读起来非常困难，可以优化成这样：

String s = STR."\{fruit[0]}, \{
    STR."\{fruit[1]}, \{fruit[2]}"
}";

也可以这样：

String tmp = STR."\{fruit[1]}, \{fruit[2]}";
String s = STR."\{fruit[0]}, \{tmp}";

2.1.4.1.1. 多行模板表达式

模板表达式的模板可以跨越多行源代码，使用的语法与文本块类似。(我们在上文看到了一个跨多行的嵌入式表达式，但包含该嵌入式表达式的模板在逻辑上只有一行）。

以下是表示 HTML 文本、JSON 文本和区域表的模板表达式的示例，它们都跨多行：

String title = "My Web Page";
String text  = "Hello, world";
String html = STR."""
        
          
            
          
          
            
\{text}
          
        
        """;
程序结果： 
 <html>
   <head>
     <title>My Web Page</title>
   </head>
   <body>
     <p>Hello, world</p>
   </body>
 </html>


String name    = "Joan Smith";
String phone   = "555-123-4567";
String address = "1 Maple Drive, Anytown";
String json = STR."""
    {
        "name":    "\{name}",
        "phone":   "\{phone}",
        "address": "\{address}"
    }
    """;
程序结果：
 {
     "name":    "Joan Smith",
     "phone":   "555-123-4567",
     "address": "1 Maple Drive, Anytown"
 }


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 = STR."""
    Description  Width  Height  Area
    \{zone[0].name}  \{zone[0].width}  \{zone[0].height}     \{zone[0].area()}
    \{zone[1].name}  \{zone[1].width}  \{zone[1].height}     \{zone[1].area()}
    \{zone[2].name}  \{zone[2].width}  \{zone[2].height}     \{zone[2].area()}
    Total \{zone[0].area() + zone[1].area() + zone[2].area()}
    """;
程序结果：
 Description  Width  Height  Area
 Alfa  17.8  31.4     558.92
 Bravo  9.6  12.4     119.03999999999999
 Charlie  7.1  11.23     79.733
 Total 757.693

2.1.4.2. FMT 模板处理器

FMT 是 Java 平台定义的另一种模板处理器。FMT 与 STR 类似，它执行插值，但也解释嵌入表达式左侧出现的格式规范。

FMT 需要手动执行导入

import static java.util.FormatProcessor.FMT;

格式说明符与 java.util.Formatter 中定义的格式说明符相同。例如：

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()}
    """;
程序输出：
Description     Width    Height     Area
Alfa            17.80    31.40      558.92
Bravo            9.60    12.40      119.04
Charlie          7.10    11.23       79.73
                              Total  757.69

2.1.5. 其他说明

模板处理器在运行时执行，而不是在编译时执行，因此无法对模板进行编译时处理。它们也无法获得源代码中出现在模板中的确切字符；只能获得嵌入式表达式的值，而不能获得嵌入式表达式本身。

支持用户定义的模板处理器。前面我们看到了模板处理器 STR 和 FMT，它们让人觉得模板处理器是一个通过字段访问的对象。其实，模板处理器是一个对象，它是方法接口 StringTemplate.Processor 的实例。开发人员可以轻松创建模板处理器，用于模板表达式。

！！！注意不要把字符串模板功能用于SQL拼接，稍不注意就引入了SQL注入风险

！！！另外要特别提醒的是，这个特性目前还在Preview状态，还没有正式发布，请不要用于生产环境。只是感叹Java还在不停的改进，学习其他语言优秀的地方，是广大开发者的福音

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