JDK 21开发者新特性详解：虚拟线程、结构化并发与记录模式

JDK 21引入了多项重要特性，包括虚拟线程提升并发性能、结构化并发简化多线程编程、记录模式优化数据导航，以及字符串模板增强安全性。这些更新显著改善了Java开发体验和代码效率。

JDK 21开发者新特性

2023年9月19日，JDK 21正式发布，为Java生态系统带来多项新功能，包括虚拟线程、记录模式和顺序集合等。此外，JDK 21还包含一些预览特性，如字符串模板、作用域值和结构化并发。本文重点介绍此版本中的六项新功能。

虚拟线程

Java的传统线程模型在创建超过操作系统处理能力的线程时，会迅速成为昂贵的操作。此外，在线程生命周期较短的情况下，创建线程的成本也很高。

虚拟线程通过将Java线程映射到管理线程操作的载体线程（即挂载/卸载）来解决此问题。相比之下，载体线程与操作系统线程协作。这种抽象为开发者提供了更大的灵活性和控制力。参见图1。

图1：JDK 21中的虚拟线程模型。

以下是虚拟线程的示例，与操作系统/平台线程形成鲜明对比。该程序使用ExecutorService创建10,000个任务，并等待所有任务完成。在幕后，JDK将在有限数量的载体线程和操作系统线程上运行此程序，使您能够轻松编写并发代码。

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try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    IntStream.range(0, 10_000).forEach(i -> {
        executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
            return i;
        });
    });
}  // executor.close()隐式调用，并等待

结构化并发（预览）

结构化并发与虚拟线程紧密相关，旨在通过提供增强开发者体验的API来消除取消、关闭、线程泄漏等常见风险。如果任务拆分为并发子任务，它们都应返回到同一位置，即任务的代码块。

在图2中，findUser和fetchOrder都需要执行以从不同服务获取数据，然后使用该数据组合结果，并在响应中返回给消费者。通常，这些任务可以并发执行，但如果findUser未返回，则容易出错；fetchOrder需要等待其完成，最后执行Join操作。

图2：结构化并发示例。

此外，子任务的生命周期不应超过父任务本身。想象一个任务操作，如果每个操作都在线程中执行，它将并发组合多个快速运行的I/O操作的结果。结构化并发模型通过利用虚拟线程API和StructuredTaskScope，使线程编程更接近单线程代码风格的简便性。

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Response handle() throws ExecutionException, InterruptedException {
    try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
        Supplier<String>  user  = scope.fork(() -> findUser());
        Supplier<Integer> order = scope.fork(() -> fetchOrder());

        scope.join()            // 加入两个子任务
             .throwIfFailed();  // ...并传播错误

        // 此处，两个子任务均已成功，因此组合它们的结果
        return new Response(user.get(), order.get());
    }
}

顺序集合

在JDK 21中，引入了一组新的集合接口，以增强使用集合的体验（图3）。例如，如果需要从集合中获取元素的逆序，根据所使用的集合，可能会很繁琐。根据所使用的集合，检索遇到顺序可能存在不一致；例如，SortedSet实现了一个，但HashSet没有，这使得在不同数据集上实现此功能变得繁琐。

图3：顺序集合。

为了解决此问题，SequencedCollection接口通过添加reverse方法以及获取第一个和最后一个元素的能力来辅助遇到顺序。此外，还有SequencedMap和SequencedSet接口。

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interface SequencedCollection<E> extends Collection<E> {
    // 新方法
    SequencedCollection<E> reversed();
    // 从Deque提升的方法
    void addFirst(E);
    void addLast(E);
    E getFirst();
    E getLast();
    E removeFirst();
    E removeLast();
}

因此，现在不仅可以获取遇到顺序，还可以删除和添加第一个和最后一个元素。

记录模式

记录在Java 14中作为预览引入，这也为我们提供了Java枚举。record是Java中的另一种特殊类型，其目的是简化仅作为数据载体的类的开发过程。

在JDK 21中，记录模式和类型模式可以嵌套，以实现声明式和可组合的数据导航和处理。

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// 创建记录：
Public record Todo(String title, boolean completed){}

// 创建对象：
Todo t = new Todo(“Learn Java 21”, false);

在JDK 21之前，需要解构整个记录以检索访问器。然而，现在获取值要简化得多。例如：

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static void printTodo(Object obj) {
    if (obj instanceof Todo(String title, boolean completed)) {
        System.out.print(title);
        System.out.print(completed);
    }
}

记录模式的另一个优势是嵌套记录和访问它们。JEP定义本身的一个示例显示了获取Point值的能力，这些值是ColoredPoint的一部分，而ColoredPoint嵌套在Rectangle中。这比以前每次都需要解构所有记录时更有用。

字符串模板

字符串模板是JDK 21中的预览特性。然而，它试图为字符串操作带来更高的可靠性和更好的体验，以避免有时可能导致不良结果（如注入）的常见陷阱。现在，您可以编写模板表达式并在字符串中呈现它们。

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// 从Java 21开始
String name = "Shaaf"
String greeting = "Hello \{name}";
System.out.println(greeting);

在这种情况下，第二行是表达式，调用时应呈现Hello Shaaf。此外，在可能存在非法字符串的情况下，例如可能导致安全问题的SQL语句或HTML，模板规则只允许转义引号，并且HTML文档中不允许非法实体。

JDK 21中的更多JEP

本文未涵盖但在另一篇文章中讨论的其他JEP包括：

  • JEP 439：分代ZGC
  • JEP 441：switch模式匹配
  • JEP 442：外部函数和内存API（第三次预览）
  • JEP 443：未命名模式和变量（预览）
  • JEP 445：未命名类和实例主方法（预览）
  • JEP 448：向量API（第六次孵化）
  • JEP 449：弃用Windows 32位x86端口以移除
  • JEP 451：准备禁止动态加载代理
  • JEP 452：密钥封装机制API

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