Java 24 有哪些新功能？版本特性介绍 – wiki基地

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Java 24: 演进不止，蓄力未来——版本特性深度解析

Java，这门自诞生以来就以其“一次编写，到处运行”的理念深刻影响着软件世界的语言，从未停止其演进的步伐。随着每六个月一个新版本的快速发布节奏成为常态，开发者们得以更快地接触到最新的语言特性、API改进和性能优化。Java 24，作为遵循这一节奏的最新LTS（Long Term Support）版本Java 21之后的又一个非LTS版本，虽然可能不包含革命性的最终确定功能，但它承载着来自 Amber、Loom、Panama 等重要项目的大量孵化和预览特性，为开发者社区带来了令人兴奋的新能力和改进，并为未来的Java版本铺平了道路。

本文将详细探讨Java 24版本中的关键新特性、API更新、以及JVM和核心库的改进，带领读者一窥Java平台在并发、互操作性、语言表达力、易用性等多个前沿领域的最新进展。

Java 24 发布概览与重要背景

Java 24（JDK 24）预计于2024年3月发布，是继Java 23之后的又一个非LTS版本。它的发布标志着Oracle及OpenJDK社区在既定轨道上持续投入研发的成果。在详细介绍具体特性之前，理解OpenJDK社区当前几个重要的孵化项目是至关重要的，因为Java 24的许多特性都源自这些项目：

  • Project Amber (琥珀计划): 专注于Java语言的小型、生产力导向的改进，例如模式匹配、记录类型、密封类等。
  • Project Loom (织机计划): 旨在大幅简化高吞吐量并发应用的开发，核心是引入虚拟线程（Virtual Threads）。
  • Project Panama (巴拿马计划): 目标是改进JVM与原生代码互操作性，提供更安全、更易用的机制来调用原生库和处理原生数据。
  • Project Valhalla (瓦尔哈拉计划): 探索值对象（Value Objects）和其他数据布局改进，以提升性能和内存效率。
  • Project Leyden (莱顿计划): 关注Ahead-of-Time (AOT) 编译、静态映像等，以改善启动性能和减小 footprint。

Java 24 的特性集主要由一系列 JEP（JDK Enhancement Proposals，JDK增强提案）构成。这些 JEP 可能处于以下几种状态：

  • Final (最终版): 功能已经稳定，可用于生产环境。
  • Preview (预览版): 功能基本完成，但仍在等待社区反馈，可能会在后续版本中修改或移除。需要通过特定的命令行标志（如 --enable-preview）启用。
  • Incubator (孵化版): 功能尚处于早期探索阶段，API可能变动较大，旨在收集早期反馈。通常位于 jdk.incubator.* 模块中，需要额外模块选项启用。

Java 24 中包含多个处于 Preview 或 Incubator 状态的 JEP，这体现了 Java 社区积极采纳反馈、逐步完善新功能的开发模式。

Java 24 的核心新特性与改进（基于 JEP）

以下是 Java 24 中值得关注的几个关键 JEP 的详细介绍：

1. JEP 454: Foreign Function & Memory API (Third Preview)

  • 特性描述: 这是对外部函数与内存 API (FFM API) 的第三次预览。FFM API 旨在提供一种安全、高效、易用的方式，让 Java 程序能够与 JVM 外部的代码（主要是原生代码）进行互操作。它取代了老旧且危险的 JNI (Java Native Interface)。
  • 解决的问题: JNI 复杂、脆弱，容易出错（如内存泄漏、JVM崩溃），且性能开销大。FFM API 提供了更现代、更安全的替代方案，通过 Java API 定义外部函数签名和内存布局，实现类型安全和内存安全的原生调用。
  • 工作原理: FFM API 核心由两个部分组成：
    • Foreign-Memory Access API: 用于安全地访问堆外内存（Off-Heap Memory）。它提供了 MemorySegment、MemoryLayout 等抽象，允许开发者以结构化、类型安全的方式读写原生内存，并支持空间和时间范围限制，防止越界访问。
    • Foreign-Function Access API: 用于安全地调用原生函数。通过 Linker 和 MethodHandle 机制，开发者可以定义原生函数的 Java 签名，然后像调用普通 Java 方法一样调用原生函数，JVM 负责处理调用约定、参数转换和返回值。
  • Java 24 中的改进 (第三次预览): 通常，预览版迭代会基于前一版本的社区反馈进行 API 的精炼和功能的增强。第三次预览可能包含：
    • API 的进一步简化和标准化，使原生类型和 Java 类型的映射更加直观。
    • 对更多原生调用约定或复杂数据结构的支持。
    • 性能上的进一步优化。
    • 错误处理和调试体验的改进。
  • 意义: FFM API 是 Project Panama 的核心成果之一，对于需要与操作系统API、机器学习库、高性能计算库等原生代码集成的应用至关重要。它的成熟将大幅提升 Java 在科学计算、大数据处理、游戏开发等领域的竞争力，同时降低互操作的风险和开发成本。
  • 状态: Third Preview (第三次预览)

2. JEP 456: Unnamed Variables and Patterns (Second Preview)

  • 特性描述: 引入了匿名变量和匿名模式的概念，使用下划线字符 _ 来表示一个不需要命名的变量或模式组件。
  • 解决的问题: 在某些场景下，代码语法要求必须声明一个变量，但开发者并不关心其值，也不会在后续代码中使用它（例如 catch 块的异常变量、lambda 表达式的参数、模式匹配中的部分绑定）。使用有名字的变量会增加阅读负担，且可能被误解为是需要使用的变量，静态分析工具也可能对此发出警告。匿名变量和模式明确表示该元素是被故意忽略的。
  • 工作原理:
    • 匿名变量: 可以在变量声明的位置使用 _，例如 catch (Exception _) 或在 lambda 表达式中 (_) -> { ... }。编译器会识别 _ 是一个特殊的标记，表示这是一个匿名变量，其值无法被访问。
    • 匿名模式: 在模式匹配（如 instanceof 的模式变量、switch 表达式/语句的模式）中，可以使用 _ 来匹配但不绑定值。例如 if (obj instanceof Pair(_, int value)) 表示只关心 Pair 的第二个组件是 int，并将其绑定到 value，而忽略第一个组件。
  • Java 24 中的改进 (第二次预览): 第二次预览通常是基于第一次预览的反馈进行的微调，可能包括：
    • 澄清某些边缘情况下的使用规则。
    • 改进编译器对此特性的支持和错误提示。
  • 意义: 提高了代码的可读性和简洁性，尤其是在处理不关心的变量或模式组件时。它使代码意图更加清晰，并减少了不必要的静态分析警告。这是 Project Amber 带来的另一个提高开发者生产力的语言小特性。
  • 状态: Second Preview (第二次预览)

3. JEP 457: Class-File API (Preview)

  • 特性描述: 引入了一个标准 API，用于解析、生成和转换 Java class 文件。
  • 解决的问题: 很多 Java 工具（如字节码增强库 ASM, Byte Buddy；静态分析工具；构建工具插件）需要直接操作 class 文件。目前，最常用的是第三方库 ASM，它功能强大但相对底层和复杂。JDK 内部也有解析 class 文件的代码，但没有暴露为标准 API。提供一个标准的 JDK API 可以简化工具开发，并确保与 Java 平台本身的演进同步。
  • 工作原理: 这个 API 将提供一套类型安全的接口和类，代表 class 文件的结构（类、方法、字段、注解、常量池等）。开发者可以通过这个 API 读取一个 class 文件，访问其各个组成部分，进行修改，然后写回为新的 class 文件。它可能提供比 ASM 更高级或更易用的抽象层。
  • Java 24 中的状态: 作为一个预览版，API 的设计和实现可能仍在完善中，旨在收集工具开发者和库作者的早期反馈。
  • 意义: 为需要操作 class 文件的开发者提供了一个官方、标准、有长期支持的 API。这将促进 Java 生态系统中相关工具的开发和创新，例如更强大的编译时处理器、字节码分析工具、性能监控代理等。
  • 状态: Preview (预览版)

4. JEP 458: Launch Multi-File Source-Code Programs (Second Preview)

  • 特性描述: 增强了 java 启动器，使其能够直接运行由多个 Java 源代码文件组成的程序，而无需先显式地使用 javac 进行编译。
  • 解决的问题: 对于简单的程序或脚本，如果代码被组织在多个文件中（例如，一个主类调用了另一个文件中的辅助类），传统的做法是先运行 javac Main.java Helper.java ... 进行编译，然后再运行 java Main。这增加了初学者的学习门槛，也使得 Java 在脚本场景下不如 Python、JavaScript 等语言便捷。
  • 工作原理: 当 java 启动器检测到命令行参数指向的是 .java 文件时，它会首先编译该文件及其依赖的其他相关 .java 文件（这些文件通常位于同一目录或指定的源路径下），然后运行编译后的主类。
  • Java 24 中的改进 (第二次预览): 第二次预览可能涉及对源文件发现机制、编译过程、错误报告等方面的改进，使其更加鲁棒和用户友好。
  • 意义: 显著降低了学习和使用 Java 进行小型编程任务的门槛，尤其适合初学者、教学场景以及编写简单的工具脚本。这是 Project Amber 提高 Java 易用性的又一努力。
  • 状态: Second Preview (第二次预览)

5. JEP 459: String Templates (Second Preview)

  • 特性描述: 引入了字符串模板（String Templates）功能，提供一种更安全、更易读的方式来拼接字符串和嵌入表达式。
  • 解决的问题: 使用 + 运算符进行字符串拼接容易出错（尤其是在处理 null 或混合类型时），且当表达式复杂时，代码可读性差。传统的格式化方法（如 String.format）语法不够直观。更重要的是，直接拼接用户输入往往会导致安全问题（如 SQL 注入、HTML 注入）。
  • 工作原理: 字符串模板使用一个模板处理器（Template Processor）和包含嵌入表达式的模板文本组成。语法形式通常是 PROCESSOR."template text \{expression} more text"。
    • 模板处理器是一个实现了特定接口的对象，负责处理模板文本和表达式的值。
    • 模板文本是包含特殊分隔符（如 \{...}）的字符串字面量。
    • 嵌入表达式是放在分隔符内的 Java 表达式，其值会在运行时计算。
      Java 21/22/23 的预览版可能已经引入了内置的处理器，如 STR（用于简单的插值，等价于 String.format 或 + 拼接，但更安全）、FMT（提供类似 printf 的格式化）。Java 24 的第二次预览将继续完善此机制。
  • Java 24 中的改进 (第二次预览): 可能包括：
    • 对模板语法或处理流程的微调。
    • 改进与编译器的集成。
    • 完善对自定义模板处理器的支持，使其更容易实现。
  • 意义: 大幅提升了字符串操作的可读性、安全性和灵活性。通过使用专门的模板处理器（如为 SQL 或 HTML 定制的处理器），可以在运行时对嵌入的值进行自动转义或验证，有效防范注入攻击。这是 Project Amber 提高语言表达力的重要一步。
  • 状态: Second Preview (第二次预览)

6. JEP 460: Enhanced Super for Instance Constructors (Preview)

  • 特性描述: 放宽了构造器中调用 super() 的限制，允许在 super() 调用之前执行某些语句。
  • 解决的问题: 当前的 Java 规范要求子类构造器的第一条语句必须是 this() 或 super() 调用，用于初始化父类（或同一类的其他构造器）。这个限制导致如果父类构造器的参数需要复杂的计算或初始化，开发者不得不将这些计算放在构造器之外的静态方法或辅助方法中，或者使用临时变量在父类构造器中进行计算，增加了代码的复杂性。
  • 工作原理: 这个 JEP 允许在 super() 调用之前执行那些不依赖于当前对象实例（this）的语句。这意味着你可以执行计算、查找、创建 其他 对象等操作，并将结果作为参数传递给 super()。例如：
    java
    class Parent { Parent(int x) { ... } }
    class Child extends Parent {
    Child(String s) {
    // 现在允许在 super() 前执行不依赖 this 的代码
    int calculatedValue = s.length() * 2;
    super(calculatedValue); // calculatedValue 是在 super() 前计算的
    // ... 子类自己的初始化 ...
    }
    }
    编译器会严格检查在 super() 调用前的代码是否尝试访问 this 或使用未初始化的字段，从而保证安全性。
  • Java 24 中的状态: 作为预览版，正在收集开发者关于此放宽规则的反馈。
  • 意义: 提高了构造器代码的灵活性和可读性，避免了为了满足 super() 必须是第一句的限制而引入不必要的辅助方法或复杂逻辑。
  • 状态: Preview (预览版)

7. JEP 461: Stream Gatherers (Preview)

  • 特性描述: 在 Stream API 中引入了一个新的中间操作类型 Gatherer。
  • 解决的问题: Stream API 中现有的中间操作（如 map, filter, flatMap, distinct, sorted, limit, skip, takeWhile, dropWhile）功能是固定的。对于一些更复杂的流处理模式，如对元素进行分批/分块处理、基于相邻元素进行过滤或转换（如滑动窗口）、执行短路操作但不中断整个流等，现有的操作难以直接实现，或者需要结合 collect 终端操作后才能处理，不够流畅。
  • 工作原理: Gatherer 是一个自定义的中间操作，它接收来自上游流的元素，并将其转换为发送给下游流的元素。与 map 或 filter 处理单个元素不同，Gatherer 可以有状态，可以缓冲元素，可以向前或向后查看元素，甚至可以提前终止处理。它提供了一种更通用的方式来表达复杂的流转换逻辑。
    想象一些可能的 Gatherer 用例：

    • Gatherers.window(n): 将流中的元素按照每 n 个一组分组。
    • Gatherers.slidingWindow(n): 实现滑动窗口，输出每个大小为 n 的窗口。
    • Gatherers.scan(): 实现扫描操作，类似 reduce 但输出中间结果。
    • Gatherers.deduplicateAdjacent(): 移除相邻的重复元素。
  • Java 24 中的状态: 作为一个预览版，API 设计和内置的 Gatherer 实现正在收集反馈。
  • 意义: 极大地增强了 Stream API 的灵活性和表达能力，使得开发者能够以声明式的方式实现更多样化的流处理模式，减少使用命令式循环或复杂的 collect 操作。这是对 Stream API 的一次重要扩展。
  • 状态: Preview (预览版)

8. JEP 462: Structured Concurrency (Third Preview)

  • 特性描述: 这是对结构化并发（Structured Concurrency）API 的第三次预览。它提供了一种处理一组相关任务作为单个工作单元的方式。
  • 解决的问题: 在传统的并发编程中，启动多个子任务（例如，使用 ExecutorService 提交 Runnable 或 Callable）后，处理它们的生命周期（等待所有任务完成、处理其中一个任务失败时的取消、将子任务的结果组合）通常比较复杂且容易出错。结构化并发旨在使这些操作更加安全和直观。
  • 工作原理: 核心是 StructuredTaskScope 类。在一个 StructuredTaskScope 中启动的子任务，它们的生命周期被绑定到该 scope 的生命周期。当 scope 完成时（例如，通过 scope.join() 等待所有任务），所有子任务要么已经完成，要么会被取消。如果任何子任务失败，scope 可以被配置为快速失败，自动取消其他运行中的子任务，并 propagates 错误。这提供了更好的错误处理、取消和可观测性。虚拟线程（Virtual Threads）是 StructuredTaskScope 的理想载体，因为创建和管理虚拟线程的开销很小。
  • Java 24 中的改进 (第三次预览): 第三次预览意味着 API 设计已经相当稳定，正在迈向最终确定。改进可能包括 API 的微调、性能优化、与虚拟线程和 Scoped Values 的更好集成。
  • 意义: 大幅简化了复杂并发场景下的编程，提高了代码的健壮性。通过将相关的并发任务组织成一个结构化的单元，使得代码更容易理解、调试和维护。这是 Project Loom 在并发编程模型上的重要贡献，与虚拟线程相辅相成。
  • 状态: Third Preview (第三次预览)

9. JEP 463: Implicitly Declared Classes and Instance Main Methods (Second Preview)

  • 特性描述: 允许在 .java 源文件中编写更简洁的程序，省略显式的类声明，并允许定义一个非静态的 main 方法。
  • 解决的问题: 对于非常小的程序（如“Hello, World!”）或初学者，Java 要求将代码放在一个公共类中，并在其中定义一个静态的 main 方法（public static void main(String[] args)）。这引入了不必要的样板代码和需要解释的概念（类、public、static、void、String[] args）。
  • 工作原理: 这个 JEP 允许一个 .java 文件直接包含方法和语句，而无需外部的类声明。编译器会自动将这些代码包裹在一个“隐式声明的类”中。同时，它允许定义一个 main 方法，该方法不需要是 public 或 static，并且可以没有 String[] args 参数。例如：
    java
    // HelloWorld.java
    void main() {
    System.out.println("Hello, World!");
    }
    // 可以直接使用 java HelloWorld.java 运行
    这个特性主要面向教学和脚本场景，编译后的 .class 文件名和结构会由编译器自动生成，通常不鼓励在大型项目中使用这种隐式类。
  • Java 24 中的改进 (第二次预览): 可能包括对隐式类命名规则、作用域、与模块系统的交互等方面的完善。
  • 意义: 显著降低了 Java 的入门门槛，使得编写和运行简单的 Java 代码变得与许多脚本语言一样简单。这是 Project Amber 提升 Java 对初学者友好度的重要举措。
  • 状态: Second Preview (第二次预览)

10. JEP 464: Scoped Values (Second Preview)

  • 特性描述: 这是对 Scoped Values API 的第二次预览。它提供了一种在线程内部安全地共享不可变数据的方式。
  • 解决的问题: 在并发编程中，有时需要在同一个线程的不同方法之间共享某些上下文信息（如请求 ID、安全凭证、事务信息）。传统的 ThreadLocal 可以做到这一点，但存在一些问题：
    • 默认情况下，ThreadLocal 在父子线程之间不继承，或者需要使用 InheritableThreadLocal，但后者在使用虚拟线程时可能导致性能问题和内存泄漏，因为它基于底层平台线程实现继承。
    • ThreadLocal 存储的值是可变的，容易引发线程安全问题。
    • ThreadLocal 的生命周期管理可能复杂，尤其是在资源使用完毕后需要手动清理，否则可能导致内存泄漏。
  • 工作原理: ScopedValue 提供了一种更优的替代方案。它是一个不可变容器，其值是针对特定的代码执行范围（scope）进行绑定的。绑定是临时的，且仅在绑定发生的线程及其通过 ScopedValue.where(...).run(...) 明确运行的子任务中可见。它不会像 InheritableThreadLocal 那样隐式继承给所有子线程。ScopedValue 绑定的值是不可变的，强制了线程间的数据隔离和安全。与 StructuredTaskScope 结合使用，可以优雅地管理跨任务的上下文信息传递。
  • Java 24 中的改进 (第二次预览): 可能包含 API 的进一步精炼、与虚拟线程和结构化并发的更紧密集成、性能上的优化。
  • 意义: 提供了一种更安全、更可控、更适合虚拟线程时代的线程内数据共享机制。解决了 ThreadLocal 在可变性、继承性和资源管理上的痛点，尤其是在构建高并发服务时显得尤为重要。这是 Project Loom 生态系统中的另一个关键组件。
  • 状态: Second Preview (第二次预览)

Java 24 中的其他改进

除了上述具有独立 JEP 的主要特性之外，Java 24 还包含了大量的细节改进、性能优化、错误修复以及安全更新：

  • JVM 层面:
    • 性能提升: 持续优化 JIT 编译器（包括 C2 和可能涉及的 Graal VM 集成工作），提升代码执行效率。对垃圾回收器（如 G1, ZGC, ParallelGC）进行性能调优和延迟改进。增强对虚拟线程调度的效率。
    • 诊断和监控: 改进 JVM 的可观测性工具和 API，帮助开发者更好地理解应用的行为和性能瓶颈。
  • 核心库层面:
    • 对现有 API 的 minor 增强或 bug 修复。
    • 更新 Unicode 标准和时区数据。
    • 加密算法支持的更新和安全协议的改进。
  • 工具层面:
    • javac 编译器对新语言特性的支持以及性能提升。
    • jshell (Java Shell) 对新特性的更好支持，继续提升其作为交互式开发和学习工具的体验。
    • 其他命令行工具（如 jlink, jpackage, jcmd 等）的改进。
  • 安全更新: 每月例行的安全补丁和关键组件（如 OpenSSL）的更新，确保平台的安全性。
  • 废弃与移除 (Deprecations and Removals): 遵循逐步淘汰旧有、危险或不再使用的 API 的策略。在 Java 24 中，可能会有一些 API 被标记为废弃 (Deprecated) 或被计划在未来移除。开发者需要关注这些变化，以便及时调整代码。虽然 Java 24 中预计没有大型功能的移除，但了解废弃警告并着手迁移是良好的实践。

Java 24 的意义与展望

Java 24 虽然不是一个 LTS 版本，但它在 Java 平台的演进中扮演着承上启下的重要角色。它的发布意味着：

  1. 前沿特性走向成熟: 像 Foreign Function & Memory API, Structured Concurrency, Scoped Values, String Templates 等来自重要孵化项目的特性，经过多轮预览，API 设计正在趋于稳定，离最终确定又近了一步。这为开发者提供了在非生产环境中早期采纳和提供反馈的机会。
  2. 提升开发者体验: 匿名变量、隐式类等特性直接解决了日常编码中的痛点，降低了入门门槛，提高了代码简洁性和可读性。Stream Gatherers 扩展了 Stream API 的能力，使得函数式编程更加强大。
  3. 巩固并发和互操作优势: 虚拟线程生态系统（Structured Concurrency, Scoped Values）和 FFM API 的不断完善，正在显著增强 Java 在处理高并发和与原生代码集成等关键领域的能力，使其更能适应现代应用的需求。
  4. 社区反馈驱动发展: 预览版机制是 Java 平台健康发展的重要保障。开发者在 Java 24 中使用这些预览特性并提供反馈，将直接影响它们在未来 LTS 版本（如 Java 25 或 26）中最终确定时的形态。

展望未来，我们可以期待 Java 平台继续在以下几个方向上发力：

  • Project Valhalla: 值对象、基本类型类（Primitive Classes）等特性有望在未来的版本中以预览形式出现，这将是 Java 类型系统和内存模型的重大革新，对性能有潜在的巨大提升。
  • Pattern Matching 的进一步完善: 继续扩展模式匹配的应用场景，使其更加强大和灵活。
  • Project Leyden 的成果: AOT 编译和静态映像等技术，旨在改善 Java 应用的启动时间和内存占用，使其更适合云原生和 Serverless 环境。
  • 泛型和类型系统的改进: 探索更高级的泛型特性和类型系统能力。

结论

Java 24 版本的发布，是 Java 平台持续创新和稳步前进的又一个里程碑。它带来了 Foreign Function & Memory API 的进一步成熟，虚拟线程生态系统（结构化并发、Scoped Values）的完善，语言层面提升开发者生产力和易用性的特性（匿名变量、字符串模板、隐式类、增强型 super），以及 Stream API 的重要扩展（Gatherers）。这些特性，无论最终确定与否，都展示了 Java 平台积极拥抱现代编程范式和应对新兴挑战的决心。

对于开发者而言，探索和使用 Java 24 中的预览特性，不仅能提前体验未来的 Java 能力，更能通过提供反馈，参与到 Java 语言和平台的塑造过程中。虽然生产环境推荐使用 LTS 版本，但在开发、测试和学习环境中体验 Java 24，将帮助我们更好地理解 Java 的发展方向，并为迎接未来的 LTS 版本做好准备。Java 的演进故事远未结束，每一个新版本都为开发者社区带来了新的工具和机会，Java 24 也不例外，它正蓄力为 Java 的未来书写新的篇章。

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