Java 21 新特性及具体应用

目录

1. 虚拟线程（Virtual Threads）

2. 模式匹配增强（Pattern Matching for switch）

3. 记录模式（Record Patterns）

4. 字符串模板（String Templates）

5. 序列化集合（Sequenced Collections）

总结

---

Java 21 于 2023 年 9 月发布，是 Java 平台的一个长期支持（LTS）版本，引入了多项重要特性，旨在提升开发效率、代码可读性和性能。以下是 Java 21 的主要新特性及其具体应用，结合代码示例进行说明。所有示例均基于 Java 21 标准实现。

1. 虚拟线程（Virtual Threads）

虚拟线程是轻量级线程，由 JVM 管理，显著简化并发编程。它允许创建数千个线程而不消耗过多系统资源，适用于高并发场景如 Web 服务器或异步任务处理。

具体应用： 实现高并发任务，例如并行处理用户请求。

代码示例：

import java.util.concurrent.Executors;

public class VirtualThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建虚拟线程执行任务
        Thread.startVirtualThread(() -> {
            System.out.println("虚拟线程运行中: " + Thread.currentThread());
        });

        // 使用 Executors 管理虚拟线程池
        try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
            executor.submit(() -> System.out.println("任务1完成"));
            executor.submit(() -> System.out.println("任务2完成"));
        }
    }
}

解释：

• Thread.startVirtualThread() 直接启动虚拟线程，无需手动管理线程池。
• Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 创建基于虚拟线程的执行器，每个任务自动分配一个虚拟线程，提高资源利用率。
• 应用场景：在微服务架构中处理 HTTP 请求，避免传统线程池的阻塞问题。

2. 模式匹配增强（Pattern Matching for switch）

模式匹配在 switch 语句中扩展，支持类型检查和值提取，减少冗余代码，提升代码简洁性。

具体应用： 简化对象类型处理，如解析不同数据类型。

代码示例：

public class PatternMatchingDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = "Hello Java 21";
        
        // 使用模式匹配 switch 处理不同类型
        String result = switch (obj) {
            case null -> "空对象";
            case String s when s.length() > 5 -> "长字符串: " + s;
            case String s -> "短字符串: " + s;
            case Integer i -> "整数: " + i;
            default -> "未知类型";
        };
        System.out.println(result); // 输出: 长字符串: Hello Java 21
    }
}

解释：

• case String s 直接提取字符串值，when 子句添加条件。
• 无需显式 instanceof 和强制类型转换，代码更清晰。
• 应用场景：在 API 网关中处理不同请求数据类型，提高代码可维护性。

3. 记录模式（Record Patterns）

记录模式允许在模式匹配中解构记录（record）对象，直接访问字段，简化数据操作。

具体应用： 处理不可变数据对象，如配置或 DTO。

代码示例：

record Point(int x, int y) {} // 定义记录类型

public class RecordPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Point point = new Point(10, 20);
        
        // 使用记录模式解构 Point 对象
        if (point instanceof Point(int x, int y)) {
            System.out.println("坐标: (" + x + ", " + y + ")");
        }
        
        // 在 switch 中应用
        Object obj = new Point(5, 5);
        String desc = switch (obj) {
            case Point(int a, int b) -> "点: (" + a + ", " + b + ")";
            default -> "其他";
        };
        System.out.println(desc); // 输出: 点: (5, 5)
    }
}

解释：

• Point(int x, int y) 直接解构记录字段，无需调用 getter 方法。
• 结合模式匹配，增强代码表达力。
• 应用场景：在数据解析库中处理 JSON 或 XML 结构，减少样板代码。

4. 字符串模板（String Templates）

字符串模板提供安全、可读的字符串插值，支持自定义模板处理器，防止 SQL 注入等安全问题。

具体应用： 构建动态字符串，如 SQL 查询或日志消息。

代码示例：

import java.lang.StringTemplate;

public class StringTemplateDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "Java";
        int version = 21;
        
        // 使用 STR 模板处理器
        String message = STR."欢迎使用 \{name} \{version}";
        System.out.println(message); // 输出: 欢迎使用 Java 21
        
        // 自定义模板处理器（示例：简单转义）
        StringTemplate.Processor<String, RuntimeException> ESCAPE = st -> {
            String result = st.interpolate();
            return result.replace("<", "<"); // 防止 XSS 攻击
        };
        String safeHtml = ESCAPE."<script>alert('\{"恶意代码"}')</script>";
        System.out.println(safeHtml); // 输出: <script>alert('恶意代码')</script>
    }
}

解释：

• STR."...\{variable}..." 语法插入变量，STR 是内置处理器。
• 自定义处理器如 ESCAPE 可添加安全逻辑，避免注入风险。
• 应用场景：在 Web 应用中构建用户输入字符串，提升安全性。

5. 序列化集合（Sequenced Collections）

引入新接口如 SequencedCollection，为集合提供统一的首尾元素操作方法，解决传统集合 API 的不足。

具体应用： 有序集合操作，如队列或栈管理。

代码示例：

import java.util.LinkedList;
import java.util.SequencedCollection;

public class SequencedCollectionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SequencedCollection<String> list = new LinkedList<>();
        list.add("第一");
        list.add("第二");
        
        // 新增方法：首尾操作
        list.addFirst("首元素");
        list.addLast("尾元素");
        System.out.println(list); // 输出: [首元素, 第一, 第二, 尾元素]
        
        System.out.println("首元素: " + list.getFirst()); // 输出: 首元素
        System.out.println("尾元素: " + list.getLast());   // 输出: 尾元素
    }
}

解释：

• SequencedCollection 提供 addFirst(), getLast() 等方法，统一 List, Deque 的行为。
• 简化有序数据结构的代码，避免使用多个接口。
• 应用场景：在缓存系统管理 FIFO/LIFO 队列，提高代码一致性。

总结

Java 21 通过虚拟线程提升并发性能、模式匹配和记录模式增强代码可读性、字符串模板保障安全性、序列化集合统一 API。这些特性使 Java 更适应现代开发需求，如云原生应用和大规模系统。建议开发者升级到 Java 21 LTS 以利用这些优势。实际应用中，结合 IDE 如 IntelliJ IDEA 进行测试，确保兼容性。