在 Java 的发展历程中，每一个新版本都带来了令人期待的变化，JDK 21 也不例外。作为一个长期支持（LTS）版本，JDK 21 包含了众多新特性，这些特性旨在提升开发效率、增强性能以及改进语言的表达能力。下面让我们深入了解 JDK 21 中的一些关键新特性。

一、虚拟线程（Virtual Threads） - JEP 444

虚拟线程是 JDK 21 中最受瞩目的特性之一，它为 Java 并发编程带来了革命性的变化。在传统的 Java 并发模型中，每一个线程都映射到一个操作系统线程，创建和管理这些线程的开销较大，并且在高并发场景下，线程上下文切换的成本也不容忽视。虚拟线程则不同，它是由 JVM 管理的轻量级线程，与操作系统线程解耦，大大降低了线程创建和切换的开销。

1.1 虚拟线程的优势

高并发处理能力：虚拟线程的创建成本极低，可以轻松创建数以百万计的线程，这使得 Java 应用能够高效处理高并发任务，如大规模的网络请求处理、分布式计算等场景。
简化并发编程：开发人员可以为每个任务创建一个虚拟线程，而无需像传统线程那样担心线程池的复杂管理。这使得并发编程模型更加简单直接，开发者能够更专注于业务逻辑的实现。
与现有代码兼容：虚拟线程与现有的 Java 代码和库完全兼容，无需对现有代码进行大规模修改即可享受虚拟线程带来的性能提升。例如，在一个 Web 服务器应用中，只需将创建传统线程的代码改为创建虚拟线程，就能显著提高服务器对并发请求的处理能力。

1.2 如何使用虚拟线程

在 JDK 21 中，创建虚拟线程非常简单。可以通过Thread.startVirtualThread方法来启动一个虚拟线程，示例代码如下：

Thread.startVirtualThread(() -> {

   // 线程执行的任务逻辑
   
   System.out.println("This is a virtual thread.");

}).join();

也可以使用ExecutorService来管理虚拟线程，通过Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor方法创建一个为每个任务分配一个虚拟线程的执行器：

ExecutorService executorService = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();

for (int i = 0; i < 10; i++) {

   executorService.submit(() -> {

       // 任务逻辑

       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running.");

   });

}

executorService.shutdown();

二、字符串模板（String Templates）预览 - JEP 430

字符串模板是 JDK 21 中的一个预览特性，它简化了字符串插值和复杂字符串的构建过程。在以往的 Java 开发中，拼接字符串通常使用+运算符或者StringBuilder类，当字符串中包含大量变量和复杂逻辑时，代码会变得冗长且难以阅读。字符串模板通过使用\{expression}语法嵌入表达式，使字符串的构建更加直观和简洁。

2.1 字符串模板的特点

简洁的语法：使用STR模板处理器结合\{}语法，能够清晰地将表达式嵌入字符串中。例如：

int age = 30;

String message = STR."The user's age is \\{age}.";

System.out.println(message); // 输出：The user's age is 30.

安全的字符串构建：字符串模板可以避免字符串拼接过程中的一些常见错误，如类型转换错误等。并且对于包含用户输入的字符串构建，它能更好地防止注入攻击，提高程序的安全性。
支持复杂表达式：在{}中不仅可以嵌入简单变量，还能使用复杂的表达式，如方法调用、条件判断等。例如：

String name = "Alice";

int score = 85;

String result = STR."The student \\{name} has a score of \\{score > 60? 'passed' : 'failed'}.";

System.out.println(result); // 输出：The student Alice has a score of passed.

自定义模板处理器：除了默认的STR模板处理器，开发人员还可以自定义模板处理器，以实现特定的字符串构建逻辑和格式化功能。

三、记录模式（Record Patterns） - JEP 440

记录模式扩展了 Java 的模式匹配功能，使得可以更方便地解构记录类的实例。记录类（Record Classes）是 Java 14 引入的一种紧凑的不可变数据载体，记录模式则为处理这些数据提供了更强大的工具。

3.1 记录模式的优势

简化数据处理：通过记录模式，可以直接在switch语句或其他模式匹配的场景中解构记录类的实例，获取其中的字段值，而无需显式地调用访问器方法。例如，假设有一个记录类Point：

record Point(int x, int y) {}

可以使用记录模式在switch语句中进行如下处理：

Point point = new Point(10, 20);

switch (point) {

   case Point(int x, int y) when x > 0 && y > 0 -> System.out.println("In the first quadrant.");

   case Point(int x, int y) when x < 0 && y > 0 -> System.out.println("In the second quadrant.");

   // 其他情况...

}

与其他模式结合使用：记录模式可以与类型模式、switch表达式等结合使用，使代码更加简洁和具有表现力，能够以更声明式的方式处理复杂的数据结构。

四、模式匹配`switch`语句（Pattern Matching for switch） - JEP 441

在 JDK 21 中，模式匹配switch语句成为了正式特性。这一特性进一步增强了switch表达式和语句的功能，使其可以使用模式匹配，包括类型模式、空值匹配等。

4.1 模式匹配`switch`语句的特点

类型安全和语义清晰：在switch的case标签中使用模式匹配，能够避免显式的类型转换和复杂的条件判断，使代码更加类型安全，并且语义更加清晰。例如：

Object obj = "hello";

switch (obj) {

   case String s -> System.out.println("It's a string: " + s.length());

   case Integer i -> System.out.println("It's an integer: " + i);

   // 其他类型的处理...

}

模式完整性检查：编译器会检查模式是否完整，确保所有可能的输入值都在switch语句中有对应的处理分支，避免出现遗漏情况，提高了代码的健壮性。
简化复杂逻辑：对于处理多种类型的复杂逻辑，模式匹配switch语句能够以更简洁的方式表达，减少了冗长的if - else嵌套结构，使代码更易读和维护。

五、分代 ZGC（Generational ZGC） - JEP 439

ZGC 垃圾收集器在 JDK 21 中得到了进一步的改进，引入了分代收集的概念。分代收集是一种常见的垃圾回收策略，它将对象根据存活时间分为不同的代，对不同代的对象采用不同的回收方式，以提高垃圾回收的效率。

5.1 分代 ZGC 的改进

降低垃圾收集开销：分代 ZGC 可以更频繁地收集年轻代的对象，因为年轻代的对象通常生命周期较短，这样可以减少垃圾收集对应用程序性能的影响。
减少内存占用：通过区分新旧对象的世代，ZGC 能够更有效地管理内存，减少堆内存的占用，提高内存的利用率。
保持低延迟特性：ZGC 原本就以低延迟著称，分代 ZGC 在继承这一优点的同时，进一步优化了垃圾回收的性能，使得应用程序在高负载下也能保持稳定的低延迟运行。这对于一些对响应时间要求极高的应用场景，如金融交易系统、实时通信系统等非常重要。

六、外部函数与内存 API（Foreign Function & Memory API） - JEP 442

外部函数与内存 API 为 Java 程序提供了一种安全、高效地与本地代码和内存进行交互的方式。在以往，Java 与本地代码交互主要依赖于 Java Native Interface（JNI），但 JNI 存在一些问题，如编程复杂、容易出错、安全性较低等。

6.1 外部函数与内存 API 的优势

替代不安全的 JNI：该 API 提供了一种更现代化、类型安全的方式来调用本地函数和访问本地内存，避免了 JNI 的一些缺陷，如指针操作的风险和内存泄漏的问题。
更好的性能：通过优化与本地代码的交互方式，外部函数与内存 API 能够实现更高的性能，尤其是在处理大量本地数据和频繁调用本地函数的场景中。
更安全的内存访问：它提供了对本地内存的安全管理，能够防止内存越界、悬空指针等常见的内存错误，提高了 Java 应用程序与本地代码交互时的稳定性和安全性。

6.2 使用示例

下面是一个简单的示例，展示如何使用外部函数与内存 API 调用本地的sqrt函数：

import jdk.incubator.foreign.\*;

import static jdk.incubator.foreign.CLinker.\*;

public class SqrtExample {

   public static void main(String\[] args) {

       try (ResourceScope scope = ResourceScope.newConfinedScope()) {

           MemorySegment alloc = MemorySegment.allocateNative(CLinker.C\_DOUBLE.byteSize(), scope);

           MemorySegment.asSlice(alloc, 0, CLinker.C\_DOUBLE.byteSize()).set(C\_DOUBLE, 4.0);

           FunctionDescriptor fd = FunctionDescriptor.of(C\_DOUBLE, C\_DOUBLE);

           Linker linker = Linker.nativeLinker();

           MemorySegment sqrt = linker.downcallHandle(

               "sqrt",

               fd,

               FunctionOption.availableInClassLoader(SqrtExample.class.getClassLoader())

           );

           double result = linker.downcall(sqrt, C\_DOUBLE, alloc.get(C\_DOUBLE));

           System.out.println("The square root of 4.0 is: " + result);

       } catch (Throwable e) {

           e.printStackTrace();

       }

   }

}

七、其他重要特性

7.1 序列集合（Sequenced Collections） - JEP 431

JDK 21 引入了新的接口来明确表示具有定义顺序的集合，包括SequencedCollection、SequencedSet和SequencedMap。这些接口为操作有序集合提供了统一的方法，例如获取第一个和最后一个元素、以相反顺序遍历集合等。这对于需要处理有序数据的场景，如历史记录管理、任务队列等非常有用。

7.2 密钥封装机制 API（Key Encapsulation Mechanism API） - JEP 452

该 API 引入了密钥封装机制（KEM），这是一种使用公钥加密确保对称密钥安全的加密技术。它为 Java 应用程序提供了更强大的安全功能，可用于安全通信、数据加密等场景，增强了 Java 在安全领域的能力。

7.3 未命名变量和模式（Unnamed Variables & Patterns） - JEP 443

此特性允许在模式匹配中使用未命名变量和模式，用下划线_表示。未命名模式用于匹配记录组件但不指定组件的名称或类型，未命名变量用于初始化但不使用的情况。这有助于提高代码的可读性和可维护性，特别是在处理复杂记录模式时。

7.4 未命名类和实例主方法（Unnamed Classes and Instance Main Methods） - JEP 445

这个预览特性简化了 Java 程序的编写，尤其是对于初学者。它允许编写没有显式类声明的简单 Java 应用，并且支持使用实例主方法，使编写小型、独立的 Java 程序更加便捷，降低了入门门槛，同时也适用于一些快速原型开发和脚本式的编程场景。

总结

JDK 21 的这些新特性为 Java 开发者带来了诸多便利和性能提升。虚拟线程改变了 Java 并发编程的格局，字符串模板和模式匹配等特性增强了语言的表达能力，分代 ZGC 提升了垃圾回收的效率，外部函数与内存 API 提供了与本地代码交互的新方式。随着 JDK 21 的发布和广泛应用，Java 将在性能、开发效率和安全性等方面展现出更强大的竞争力，为开发者构建更高效、更可靠的应用程序提供有力支持。在实际项目中，开发者可以根据具体需求逐步采用这些新特性，以充分发挥 JDK 21 的优势。