Java 21 LTS 初探：从介绍到实战应用 – wiki基地

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Java 21 LTS 初探：从介绍到实战应用

引言：Java的演进与LTS的意义

Java，这门诞生于上世纪90年代的编程语言，以其“一次编写，到处运行”的特性，迅速成为企业级应用开发的首选。经过数十年的发展，Java生态系统已变得无比庞大和成熟。然而，为了适应现代软件开发的需求，Java平台本身也在不断地演进。自Java 9引入模块化系统（Project Jigsaw）以来，Oracle将Java的发布周期调整为每六个月发布一个新版本，旨在更快地将新特性推向市场。

尽管快速迭代带来了新功能和性能的提升，但对于企业级应用而言，频繁升级往往意味着巨大的成本和潜在风险。因此，“长期支持”（Long-Term Support, LTS）版本应运而生，它提供了更长的维护周期和更稳定的API，成为企业生产环境的首选。Java 8、Java 11和Java 17都是成功的LTS版本。

2023年9月19日，万众瞩目的Java 21正式发布，作为最新的LTS版本，它承载着社区和行业的巨大期望。Java 21 不仅仅是前一个LTS版本Java 17之后四年间，八个非LTS版本累积的成果，更是Java平台在面对云计算、微服务和高并发挑战时，进行深刻自我革新的体现。本文将深入探讨Java 21 LTS 的核心特性，从理论介绍到实际应用，为开发者提供一个全面的视角。

第一部分：Java 21 LTS 的核心价值与设计理念

Java 21 LTS 的发布，其核心价值在于提供一个稳定、高性能且更具生产力的平台，以应对现代软件开发的需求。它延续了Java平台近年来的几个重要主题：

  1. 提升开发者生产力： 通过引入更简洁的语法、更强大的模式匹配，降低代码的复杂性，提高代码可读性和编写效率。
  2. 增强并发性能： Project Loom（虚拟线程）是Java 21最受关注的特性，它彻底改变了Java处理高并发的方式，旨在显著提高吞吐量，并简化异步编程模型。
  3. 优化平台性能与可维护性： 持续改进JVM、垃圾回收器（如Generational ZGC），以及提供更安全的外部函数和内存访问API。
  4. 降低学习曲线与启动成本： 为初学者和脚本编写者提供更友好的入口点。

Java 21 LTS 的设计理念，体现了Java在保持向后兼容性的同时，积极拥抱现代编程范式和系统架构演进的决心。

第二部分：Java 21 LTS 核心特性深度解析（JEPs）

Java 21包含了多个Java增强提案（JEPs），其中一些已转为正式特性，另一些则处于预览或孵化阶段。我们将重点介绍那些对开发者影响最大、最具革命性的JEPs。

2.1 革命性的并发模型：JEP 444: Virtual Threads (正式特性)

介绍： 虚拟线程（Virtual Threads），代号“Project Loom”，是Java 21最引人注目的特性，它旨在解决传统Java线程（平台线程）在高并发场景下的扩展性瓶颈。传统的平台线程直接映射到操作系统线程，创建和管理开销大，数量受限，且在执行阻塞I/O操作时会阻塞整个OS线程，导致CPU资源浪费。虚拟线程是一种轻量级线程，由JVM管理，不与特定的OS线程绑定。它们可以在少数平台线程上“多路复用”，当虚拟线程遇到阻塞操作时，JVM会将其“卸载”并允许底层平台线程执行其他虚拟线程，从而实现极高的并发数。

工作原理：
虚拟线程在JVM内部由调度器管理，这个调度器通常是基于ForkJoinPool实现的。当一个虚拟线程执行I/O阻塞操作（如网络请求、数据库查询）时，JVM会挂起该虚拟线程，并将其底层平台线程（被称为“载体线程”，Carrier Thread）释放，以便执行其他就绪的虚拟线程。当I/O操作完成时，虚拟线程会被恢复并在某个可用的载体线程上继续执行。对于开发者而言，编写并发代码仍然可以使用熟悉的Thread、synchronized、ExecutorService等API，但底层将由虚拟线程透明地处理，无需复杂的异步回调或响应式编程框架。

代码示例：

“`java
import java.time.Duration;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.stream.IntStream;

public class VirtualThreadsDemo {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建一个使用虚拟线程的ExecutorService
    // Java 21 提供了便捷的创建方式
    try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        IntStream.range(0, 10_000).forEach(i -> { // 启动10,000个虚拟线程
            executor.submit(() -> {
                try {
                    System.out.println("Executing task " + i + " on thread: " + Thread.currentThread());
                    // 模拟一个阻塞I/O操作
                    Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            });
        });

        // 等待所有任务完成（非生产代码，仅为演示）
        // 生产环境中应使用CountDownLatch或CompletableFuture
        Thread.sleep(Duration.ofSeconds(15)); // 确保所有任务有时间执行
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Total time taken: " + (endTime - startTime) + " ms");
    }
}

}
“`

在上面的例子中，我们启动了10,000个“阻塞”任务，如果使用传统平台线程，系统很快就会因为线程数量过多而崩溃或性能急剧下降。但使用虚拟线程，JVM可以高效地调度这些任务，即使它们大部分时间处于阻塞状态。

优势：
* 高吞吐量： 支持数十万甚至数百万个并发连接，远超平台线程的极限。
* 简化编程： 允许使用传统的同步阻塞API来编写高并发代码，避免了复杂的异步回调和链式调用。
* 资源利用率高： 阻塞不再是性能瓶颈，CPU可以更高效地用于处理非阻塞任务。
* 降低心智负担： 开发者无需关心底层线程池的复杂配置，只需关注业务逻辑。

潜在考量：
* 同步块（synchronized）的开销： synchronized块仍然会固定虚拟线程到其载体线程上，直到同步块结束。在高并发下过度使用可能影响虚拟线程的扩展性。应优先使用java.util.concurrent包中的并发工具（如ReentrantLock、Semaphore）。
* Native Code的阻塞： 如果虚拟线程调用了阻塞的native方法，它仍然会阻塞其载体线程。
* 调试和监控： 虽然对开发者透明，但理解虚拟线程的调度机制和监控其行为需要新的工具和视角。

2.2 增强的集合框架：JEP 431: Sequenced Collections (正式特性)

介绍： 在Java中，List、Deque和SortedSet等集合类型都有明确的顺序，而Set和Map则没有（除了像LinkedHashSet或TreeMap）。JEP 431引入了一组新的接口：SequencedCollection、SequencedSet和SequencedMap，为所有具有定义顺序的集合提供了统一的访问头部、尾部和反转视图的方法。这解决了现有集合API中顺序操作碎片化的问题。

新接口及方法：
* SequencedCollection<E>: 继承自Collection<E>。
* getFirst(): 获取第一个元素。
* getLast(): 获取最后一个元素。
* addFirst(E): 在头部添加元素。
* addLast(E): 在尾部添加元素。
* removeFirst(): 移除并返回第一个元素。
* removeLast(): 移除并返回最后一个元素。
* reversed(): 返回一个反向视图。
* SequencedSet<E>: 继承自SequencedCollection<E>和Set<E>。
* SequencedMap<K, V>: 继承自Map<K, V>。
* firstEntry(), lastEntry(), pollFirstEntry(), pollLastEntry(), reversed()等。

代码示例：

“`java
import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;

public class SequencedCollectionsDemo {
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList<>();
list.add(“Apple”);
list.add(“Banana”);
list.add(“Cherry”);

    // 使用SequencedCollection的新方法
    list.addFirst("Zebra"); // Java 21 编译通过
    list.addLast("Date"); // Java 21 编译通过

    System.out.println("First element: " + list.getFirst()); // Zebra
    System.out.println("Last element: " + list.getLast());   // Date
    System.out.println("Original list: " + list);           // [Zebra, Apple, Banana, Cherry, Date]
    System.out.println("Reversed list: " + list.reversed()); // [Date, Cherry, Banana, Apple, Zebra]

    Map<Integer, String> map = new LinkedHashMap<>();
    map.put(1, "One");
    map.put(2, "Two");
    map.put(3, "Three");

    // 使用SequencedMap的新方法
    System.out.println("First entry: " + map.firstEntry()); // 1=One
    System.out.println("Last entry: " + map.lastEntry());   // 3=Three
    System.out.println("Reversed map entries: " + map.reversed().entrySet()); // [3=Three, 2=Two, 1=One]
}

}
“`

优势：
* API统一性： 提供了一种标准化的方式来处理所有有序集合的头部和尾部操作。
* 代码清晰： 无需强制类型转换或检查集合类型即可执行顺序操作。
* 可维护性： 降低了因不同集合类型而导致的意外行为。

2.3 模式匹配的进一步演进：

模式匹配是自Java 16以来持续演进的特性，旨在简化数据解构和条件判断。Java 21中，它得到了进一步的强化。

2.3.1 JEP 440: Record Patterns (正式特性)

介绍： Record Patterns 允许开发者在instanceof表达式或switch语句中，直接解构Record类型的组件。这极大地简化了从Record对象中提取数据的方式，避免了繁琐的getter方法调用。

代码示例：

“`java
record Point(int x, int y) {}
record Circle(Point center, int radius) {}
record Square(Point topLeft, int side) {}

public class RecordPatternsDemo {
public static void printShape(Object shape) {
if (shape instanceof Circle(Point center, int radius)) {
System.out.println(“It’s a Circle centered at (” + center.x() + “, ” + center.y() + “) with radius ” + radius);
} else if (shape instanceof Square(Point topLeft, int side)) {
System.out.println(“It’s a Square with top-left at (” + topLeft.x() + “, ” + topLeft.y() + “) and side ” + side);
} else if (shape instanceof Point(int x, int y)) { // 直接解构Point
System.out.println(“It’s a Point at (” + x + “, ” + y + “)”);
} else {
System.out.println(“Unknown shape: ” + shape);
}
}

public static void main(String[] args) {
    printShape(new Circle(new Point(10, 20), 5));
    printShape(new Square(new Point(0, 0), 10));
    printShape(new Point(3, 4));
    printShape("Hello");
}

}
“`

优势：
* 简洁性： 大幅减少了访问Record组件所需的样板代码。
* 可读性： 使代码意图更清晰，一眼就能看出正在解构哪些数据。
* 嵌套解构： 支持嵌套Record的解构，如Circle(Point(int x, int y), int radius)，进一步简化复杂数据结构的处理。

2.3.2 JEP 441: Pattern Matching for switch (正式特性)

介绍： 扩展了switch表达式和语句，使其能够匹配类型，并允许在case标签中使用模式。这使得switch能够处理更复杂的条件逻辑，并增强了其作为多态操作工具的能力。

代码示例：

“`java
public class SwitchPatternMatchingDemo {
public static String process(Object o) {
return switch (o) {
case Integer i -> String.format(“Integer: %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);
case Circle(Point p, int r) -> String.format(“Circle at (%d, %d) with radius %d”, p.x(), p.y(), r);
case null -> “Null object”; // 允许处理null
default -> “Unknown object”;
};
}

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(process(100));
    System.out.println(process("Hello Java 21"));
    System.out.println(process(3.14));
    System.out.println(process(new Circle(new Point(1,1), 2)));
    System.out.println(process(null));
}

}
“`

优势：
* 更强大的类型匹配： 替代了传统的if-else if链，代码更清晰。
* null处理： case null允许在switch中直接处理null值，提高健壮性。
* 模式变量作用域： 模式变量（如i、l、s）只在对应的case分支中有效。
* 详尽性检查： 编译器可以检查switch表达式是否覆盖了所有可能的类型，如果缺少default分支或未覆盖所有sealed class的子类，则会发出警告或错误。
* Guard Clauses (when): 允许在模式后添加额外的条件，如 case String s when s.length() > 5 -> ...。

2.4 其他重要特性（预览/孵化中）

  • JEP 430: String Templates (预览特性):

    • 提供一种更简单、更安全的方式来组合字符串和表达式。通过使用新的字符串前缀（如STR），可以直接在字符串字面量中嵌入表达式。
    • 示例：String name = "World"; String message = STR."Hello, \{name}!";
    • 优势： 提高可读性，避免字符串拼接错误，并能通过处理器（Processor）实现更高级的功能（如SQL注入防护）。

  • JEP 446: Scoped Values (预览特性):

    • 旨在提供一种替代ThreadLocal的更安全、更高效的机制，用于在大型并发应用中共享不可变数据。ScopedValue是不可变的，并且在虚拟线程中表现更好，能够避免ThreadLocal的潜在内存泄漏和性能问题。
    • 示例：ScopedValue<String> user = ScopedValue.newInstance(); ScopedValue.where(user, "admin").run(() -> { System.out.println(user.get()); });
    • 优势： 安全地传递上下文信息，尤其在高并发和虚拟线程环境下。

  • JEP 445: Unnamed Classes and Instance Main Methods (预览特性):

    • 简化了Java程序的编写，特别是对于初学者和小型脚本。它允许在没有显式类声明的情况下编写程序，并直接定义实例main方法，降低了Java的“仪式感”。
    • 示例：void main() { System.out.println("Hello, Java 21!"); }
    • 优势： 降低学习门槛，使Java更适合作为脚本语言使用。

  • JEP 443: Unnamed Patterns and Variables (预览特性):

    • 允许使用下划线_来表示一个“未命名”的变量或模式。这在捕获异常但不需要使用异常变量时（catch (Exception _)），或者在解构数据时需要忽略某些组件时非常有用。
    • 优势： 提高代码清晰度，明确指出某些值是被故意忽略的。

  • JEP 439: Generational ZGC (正式特性):

    • ZGC（Z Garbage Collector）是Java的低延迟垃圾回收器。Generational ZGC为其引入了分代收集的能力，这意味着GC将把对象分为年轻代和老年代，以更高效地回收短生命周期对象，进一步降低暂停时间，提高性能。

  • JEP 442: Foreign Function & Memory API (正式特性):

    • 代号“Project Panama”，旨在提供一个安全、高效且纯Java的API，用于与外部函数（如C库中的函数）进行互操作以及访问外部内存。它将取代旧的JNI，提供更简单、更健壮的解决方案。

第三部分：Java 21 LTS 实战应用与迁移策略

Java 21的诸多新特性，尤其是虚拟线程，对实际应用开发模式将产生深远影响。

3.1 开发环境配置

  • JDK下载： 从Oracle官网或Adoptium等OpenJDK提供商处下载并安装Java 21 JDK。
  • IDE支持： 确保您的IDE（如IntelliJ IDEA、VS Code、Eclipse）已更新至最新版本，以获得对Java 21特性（包括预览特性）的全面支持。通常，您需要在项目设置中将JDK版本设置为21，并可能需要启用预览特性（在Maven或Gradle中配置--enable-preview）。
    • Maven: 在pom.xml中配置maven-compiler-plugin：
      xml
      <plugin>
      <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
      <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
      <version>3.11.0</version>
      <configuration>
      <release>21</release>
      <compilerArgs>--enable-preview</compilerArgs>
      </configuration>
      </plugin>
    • Gradle: 在build.gradle中配置：
      gradle
      java {
      toolchain {
      languageVersion = JavaLanguageVersion.of(21)
      }
      }
      tasks.withType(JavaCompile).configureEach {
      options.compilerArgs.add('--enable-preview')
      }
      tasks.withType(Test).configureEach {
      jvmArgs('--enable-preview')
      }

3.2 迁移策略与注意事项

从Java 11或Java 17等LTS版本迁移到Java 21 LTS通常是平滑的，因为Java保持了极强的向后兼容性。然而，仍需注意以下几点：

  1. 依赖库兼容性： 检查所有第三方库和框架（如Spring Boot, Hibernate, Netty等）是否已发布支持Java 21的版本。对于虚拟线程，Spring Boot 3.2及更高版本提供了良好的集成支持。
  2. 移除废弃API： 随着版本迭代，一些API可能被标记为废弃或移除。利用IDE的静态分析工具，识别并替换这些API。
  3. 模块化（如果尚未采用）： 如果您的应用仍在使用Classpath模式，并且遇到IllegalAccessError或InaccessibleObjectException，可能需要配置JVM参数--add-opens来打破模块封装，或者考虑逐步模块化。
  4. GC选择与调优： 考虑将GC切换到Generational ZGC或ShenandoahGC，并根据实际负载进行调优。
  5. 测试： 在开发、测试和预发布环境中进行充分的回归测试和性能测试，特别是针对并发密集型模块。
  6. 逐步采用新特性： 建议先升级到Java 21，确保现有代码库的稳定运行，然后再逐步引入和重构，利用虚拟线程、模式匹配等新特性。

3.3 Java 21 在实战中的应用场景

3.3.1 虚拟线程 (Virtual Threads) 的应用：

  • 高并发Web服务/微服务：
    • Spring Boot 3.2+: Spring Boot 3.2集成了对虚拟线程的支持，只需简单配置（如spring.threads.virtual.enabled=true）即可让Tomcat、Jetty、Undertow等Web服务器使用虚拟线程处理请求。这能显著提高微服务的并发吞吐量，尤其是在I/O密集型操作（如远程API调用、数据库查询）较多的场景。
    • 示例：一个处理大量外部API调用的微服务，通过虚拟线程，可以在更少的物理线程上处理更多并发请求，降低资源消耗，提高响应速度。
  • 数据库连接池优化：
    • 传统的数据库连接池需要管理固定数量的物理连接。虽然虚拟线程本身不直接减少物理连接数，但它改变了应用层使用这些连接的方式。虚拟线程在使用连接后可以立即挂起并释放载体线程，从而提高连接池的利用率，减少物理线程的阻塞。一些数据库驱动和连接池（如HikariCP）正在优化以更好地配合虚拟线程。
  • 实时通信/消息队列消费者：
    • 对于需要维护大量长连接（如WebSocket服务器）或处理高并发消息（如Kafka消费者）的应用，虚拟线程能提供更高效的线程模型，避免创建过多的物理线程。
  • 批处理与异步任务：
    • 在后台批处理或异步任务中，如果任务涉及大量I/O等待，使用虚拟线程可以高效地管理这些任务，提高整体处理能力。

3.3.2 模式匹配 (Pattern Matching) 的应用：

  • 数据解析与处理：
    • 在处理异构数据结构或进行数据转换时，模式匹配（尤其是Record Patterns和switch表达式的模式匹配）可以极大地简化代码。例如，解析一个包含多种类型消息的流，根据消息类型进行不同的处理。
    • 示例：处理多种类型事件的日志系统，或解析来自不同数据源的复杂JSON/XML对象。
  • 领域驱动设计 (DDD)：
    • 在DDD中，当领域对象具有多种状态或类型时，可以使用模式匹配来表达业务规则，使代码更具可读性和表现力。
    • 示例：一个订单状态机，根据订单的当前状态和事件，使用switch表达式进行状态转换。

3.3.3 Sequenced Collections 的应用：

  • 统一集合操作：
    • 在需要对多种有序集合类型（如ArrayList、LinkedList、LinkedHashSet、TreeMap）进行统一的首尾操作时，可以使用SequencedCollection等接口，提高代码的泛用性和健壮性。
    • 示例：实现一个通用的缓存管理器，无论底层使用何种有序集合作为存储，都能统一进行LRU（最近最少使用）或FIFO（先进先出）淘汰。

第四部分：挑战与未来展望

4.1 挑战与考量

  • 调试复杂性： 尽管虚拟线程提高了并发度，但在传统的调试工具下，追踪虚拟线程的执行路径可能会变得复杂。IDE和调试器需要升级以更好地支持虚拟线程的堆栈跟踪和状态检查。
  • 资源消耗： 虚拟线程虽然轻量，但它们仍然是Java对象。如果创建的虚拟线程数量过多（达到百万级别），仍然可能导致GC压力增大，特别是如果虚拟线程持有大量对象。
  • 生态系统适配： 尽管核心框架（如Spring Boot）已开始适配虚拟线程，但仍有大量的第三方库和工具需要时间来充分利用或至少兼容这些新特性。例如，一些基于JNI或本地内存的库可能需要额外的适配。
  • 教育与观念转变： 开发者需要理解虚拟线程的工作原理，以及何时何地使用它们。传统的“线程池大小与CPU核心数匹配”的经验法则可能不再完全适用。

4.2 Java 的未来展望

Java 21仅仅是Java平台现代化进程中的一个重要里程碑，未来还有更多激动人心的特性在路上：

  • Project Loom 的持续进化： 虚拟线程将继续优化，可能引入新的调度器策略，并更好地与反应式编程模型集成。
  • Project Valhalla (值类型)： 旨在引入用户定义的值类型（Value Types），允许开发者定义更紧凑、更高效的数据结构，减少内存开销和GC压力，进一步提升性能。
  • Project Panama (外部函数和内存API)： FFM API将继续成熟，提供与本地代码和硬件更紧密的集成，为高性能计算和机器学习等领域提供强大的支持。
  • Project Amber (语言特性)： 模式匹配、字符串模板等语言特性将持续演进，引入更多语法糖和表达力。
  • Project Leyden (AOT编译和减小内存占用)： 致力于提高Java应用的启动速度和减少运行时内存占用，特别是在容器和微服务环境中。

这些正在进行的JEPs共同描绘了Java平台充满活力的未来，一个更轻量、更快速、更易用且更强大的Java。

结论

Java 21 LTS 的发布，是Java平台发展历程中的又一个重要里程碑。虚拟线程的正式加入，预示着Java在处理高并发场景方面将迎来一次革命性的飞跃，使得开发者可以回归到更直观的同步编程风格，同时获得卓越的扩展性。模式匹配的完善则进一步提升了Java语言的表达力，简化了复杂的数据处理逻辑。其他诸如Sequenced Collections、Generational ZGC以及FFM API等特性，也都在各自领域为Java带来了显著的提升。

对于企业和开发者而言，迁移到Java 21 LTS 意味着能够利用这些创新特性来构建更高效、更可维护、更具弹性的应用。虽然过渡过程中可能会遇到一些挑战，但长远来看，Java 21 LTS 所带来的生产力提升和性能优势，无疑是值得投入的。

Java依然是当今最具活力和创新力的编程语言之一。Java 21 LTS 不仅是Java稳定性和成熟度的象征，更是其拥抱未来、不断进化的决心和能力的体现。现在正是时候，深入探索Java 21，并将其引入您的下一个项目中。

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