JDK 17 特性详解

日月云棠
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JDK 17 特性详解

1. 概述

JDK 17（2021年9月发布）是Java的长期支持(LTS)版本，引入了多项重要特性和性能改进。作为继JDK 11之后的又一个LTS版本，JDK 17在保持兼容性的同时，提供了更现代、更安全、更高效的语言特性和API，为Java开发者带来了更好的开发体验和性能表现。

2. 核心特性详解

2.1 密封类 (Sealed Classes)

特性说明：

  • 允许类或接口限制哪些其他类或接口可以继承或实现它们
  • 使用sealed关键字声明，配合permits子句指定允许的子类
  • 子类必须是final、sealed或non-sealed
  • 增强了类型安全性，明确了类的继承关系

语法格式：

// 密封接口
sealed interface 接口名 permits 实现类1, 实现类2, ... {
    // 方法声明
}

// 密封类
sealed class 类名 permits 子类1, 子类2, ... {
    // 类定义
}

// 最终子类
final class 子类名 extends 密封类 {
    // 类定义
}

// 非密封子类（可被任意继承）
non-sealed class 子类名 extends 密封类 {
    // 类定义
}

代码示例：

// 密封接口 - 只允许指定的类实现
sealed interface Shape permits Circle, Rectangle, Square {
    String name();
}

// 密封类 - 只允许指定的类继承
sealed class AbstractShape permits Circle, Rectangle, Square {
    private final String color;

    public AbstractShape(String color) {
        this.color = color;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }
}

// 最终类 - 不能再被继承
final class Circle extends AbstractShape implements Shape {
    private final double radius;

    public Circle(double radius) {
        this(radius, "red");
    }

    public Circle(double radius, String color) {
        super(color);
        this.radius = radius;
    }

    public double radius() {
        return radius;
    }

    @Override
    public String name() {
        return "Circle";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.format("Circle(radius=%.2f, color=%s)", radius, getColor());
    }
}

// 非密封类 - 可以被任意继承
non-sealed class Rectangle extends AbstractShape implements Shape {
    private final double width;
    private final double height;

    public Rectangle(double width, double height) {
        this(width, height, "blue");
    }

    public Rectangle(double width, double height, String color) {
        super(color);
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    public double width() {
        return width;
    }

    public double height() {
        return height;
    }

    @Override
    public String name() {
        return "Rectangle";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.format("Rectangle(width=%.2f, height=%.2f, color=%s)",
                width, height, getColor());
    }
}

// 最终类
final class Square extends AbstractShape implements Shape {
    private final double side;

    public Square(double side) {
        this(side, "green");
    }

    public Square(double side, String color) {
        super(color);
        this.side = side;
    }

    public double side() {
        return side;
    }

    @Override
    public String name() {
        return "Square";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.format("Square(side=%.2f, color=%s)", side, getColor());
    }
}

// 使用密封类
public static void demonstrateSealedClasses() {
    System.out.println("=== 密封类示例 ===");

    // 创建不同形状的实例
    List<Shape> shapes = List.of(
            new Circle(5.0),
            new Rectangle(4.0, 6.0),
            new Square(3.0)
    );

    // 处理形状
    for (Shape shape : shapes) {
        double area = switch (shape) {
            case Circle c -> Math.PI * c.radius() * c.radius();
            case Rectangle r -> r.width() * r.height();
            case Square s -> s.side() * s.side();
            // 不需要default分支，因为所有情况都已覆盖
        };

        System.out.println(shape + " 面积: " + area);
    }
}

性能优势：

  • 编译器可以进行更积极的优化，如switch语句的完整性检查
  • 减少了类型转换和instanceof检查的开销
  • 提高了代码的可读性和可维护性
  • 允许JVM进行更有效的内联优化
  • 增强了类型安全性，减少了运行时错误

适用场景：

  • 有限的继承层次结构
  • 明确的类型层次关系
  • 需要编译器进行完整性检查的场景
  • 提高代码安全性和可维护性的场景

2.2 模式匹配switch

特性说明：

  • 允许在switch语句中直接使用类型模式和记录模式
  • 可以在switch中进行类型检查和转换，减少样板代码
  • 支持null处理
  • 不需要default分支，如果所有情况都已覆盖

语法格式：

return switch (对象) {
    case 类型 变量名 -> 表达式;
    case 类型 变量名 -> 表达式;
    case null -> 表达式;
    default -> 表达式;
};

代码示例：

// 使用模式匹配的switch表达式
private static String describeObject(Object obj) {
    return switch (obj) {
        case String s -> "字符串: " + s;
        case Integer i -> "整数: " + i;
        case Double d -> "浮点数: " + d;
        case Circle c -> "圆形, 半径: " + c.radius();
        case null -> "空对象";
        default -> "未知类型: " + obj.getClass().getSimpleName();
    };
}

// 测试模式匹配switch
public static void demonstratePatternMatchingSwitch() {
    System.out.println("\n=== 模式匹配switch示例 ===");

    Object[] objects = {
            "Hello",
            42,
            3.14,
            new Circle(2.0),
            null,
            new int[]{1, 2, 3}
    };

    for (Object obj : objects) {
        String description = describeObject(obj);
        System.out.println(description);
    }
}

性能优势：

  • 减少了重复的instanceof检查和类型转换
  • 编译器可以生成更高效的字节码
  • 提高了代码的可读性和可维护性
  • 减少了运行时的类型检查开销
  • 支持更简洁、更表达力强的代码

适用场景：

  • 多类型处理
  • 复杂的条件判断
  • 类型安全的分支处理
  • 减少样板代码的场景

2.3 新的随机数生成器API

特性说明：

  • 提供了更现代、更安全的随机数生成器框架
  • 支持多种随机数生成算法，如L64X256MixRandom、Xoshiro256PlusPlus等
  • 支持创建不同类型的随机数生成器
  • 提供了更灵活的API，支持流操作
  • 线程安全的实现

核心组件：

  • RandomGenerator：随机数生成器接口
  • RandomGeneratorFactory：随机数生成器工厂
  • RandomGeneratorFactory.all()：获取所有可用的随机数生成器算法

代码示例：

public static void demonstrateRandomGenerator() {
    System.out.println("\n=== 新的随机数生成器API示例 ===");

    // 获取所有可用的随机数生成器算法
    RandomGeneratorFactory.all()
            .map(factory -> factory.name() + " - " + factory.group())
            .sorted()
            .forEach(System.out::println);

    // 创建特定算法的随机数生成器 - L64X256MixRandom是高性能算法
    RandomGenerator l64X256Random = RandomGeneratorFactory.of("L64X256MixRandom")
            .create();

    // 生成随机数
    System.out.println("\n使用L64X256MixRandom生成随机数:");
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        System.out.println("随机数 " + (i + 1) + ": " + l64X256Random.nextInt(100));
    }

    // 与旧Random对比，新算法性能更优
    Random legacyRandom = new Random();
    System.out.println("\n旧Random vs 新RandomGenerator:");
    System.out.println("旧Random: " + legacyRandom.nextInt(100));
    System.out.println("新RandomGenerator: " + l64X256Random.nextInt(100));
}

性能优势：

  • 新算法比旧版Random更快，如L64X256MixRandom比Random快2-3倍
  • 支持并行流操作，提高大规模随机数生成的效率
  • 减少了线程竞争，提高了并发性能
  • 提供了更高质量的随机数
  • 支持多种算法，可根据不同场景选择合适的实现

适用场景：

  • 大规模随机数生成
  • 并发环境中的随机数生成
  • 需要高质量随机数的场景
  • 性能敏感的应用

2.4 其他重要特性

2.4.1 移除实验性AOT和JIT编译器
  • 移除了实验性的AOT（预先编译）和JIT（即时编译）编译器
  • 减少了JVM启动时间和内存占用
  • 简化了JVM代码库，提高了稳定性
2.4.2 外部函数和内存API（预览）
  • 提供了与本地代码和内存交互的标准API
  • 替代了JNI（Java Native Interface）的复杂和不安全
  • 支持直接访问本地内存，提高性能
  • 适用于需要与本地库交互的场景
2.4.3 向量API（第二个孵化器）
  • 提供了用于数值计算的向量操作API
  • 支持SIMD（单指令多数据）操作，提高数值计算性能
  • 适用于科学计算、图像处理、机器学习等场景
  • 第二个孵化器版本，进一步完善和优化

3. 性能提升总结

特性性能提升适用场景
密封类编译器更积极的优化，减少类型检查开销有限的继承层次、类型安全要求高的场景
模式匹配switch减少instanceof检查和类型转换开销多类型处理、复杂条件判断
新随机数生成器API新算法比旧版Random快2-3倍，支持并行操作大规模随机数生成、并发环境
移除实验性组件减少JVM启动时间和内存占用所有场景，特别是启动时间敏感的应用
外部函数和内存API更高效的本地代码和内存访问与本地库交互、性能敏感的场景
向量API支持SIMD操作，提高数值计算性能科学计算、图像处理、机器学习

4. 最佳实践

4.1 密封类使用建议

  • 明确继承层次结构，使用sealed关键字限制子类
  • 合理使用permits子句指定允许的子类
  • 根据需要选择子类类型：final、sealed或non-sealed
  • 利用密封类与模式匹配switch的结合，减少样板代码
  • 优先在有限的类型层次结构中使用密封类

4.2 模式匹配switch使用建议

  • 利用类型模式减少instanceof检查和类型转换
  • 合理处理null情况，使用case null分支
  • 对于密封类层次结构，不需要default分支
  • 保持switch语句简洁，避免过于复杂的逻辑
  • 利用switch表达式的返回值特性，简化代码

4.3 新随机数生成器API使用建议

  • 根据应用场景选择合适的随机数生成算法
  • 对于性能敏感的场景，选择高性能算法如L64X256MixRandom
  • 利用流操作处理大规模随机数生成
  • 避免在多线程环境中共享同一个随机数生成器实例
  • 考虑使用线程本地的随机数生成器提高并发性能

4.4 其他特性使用建议

  • 对于需要与本地代码交互的场景，考虑使用外部函数和内存API
  • 对于数值计算密集的应用，探索向量API的使用
  • 利用JVM启动时间的减少，优化应用启动流程
  • 关注预览特性的演进，为未来版本做好准备

5. 代码示例

5.1 完整示例类

package com.java.learning;

import java.util.random.RandomGenerator;
import java.util.random.RandomGeneratorFactory;
import java.util.*;

public class JDK17Features {
    public static void main(String[] args) {
        demonstrateSealedClasses();
        demonstratePatternMatchingSwitch();
        demonstrateRandomGenerator();
    }

    public static void demonstrateSealedClasses() {
        System.out.println("=== 密封类示例 ===");

        // 创建不同形状的实例
        List<Shape> shapes = List.of(
                new Circle(5.0),
                new Rectangle(4.0, 6.0),
                new Square(3.0)
        );

        // 处理形状
        for (Shape shape : shapes) {
            double area = switch (shape) {
                case Circle c -> Math.PI * c.radius() * c.radius();
                case Rectangle r -> r.width() * r.height();
                case Square s -> s.side() * s.side();
                // 不需要default分支，因为所有情况都已覆盖
            };

            System.out.println(shape + " 面积: " + area);
        }
    }

    public static void demonstratePatternMatchingSwitch() {
        System.out.println("\n=== 模式匹配switch示例 ===");

        Object[] objects = {
                "Hello",
                42,
                3.14,
                new Circle(2.0),
                null,
                new int[]{1, 2, 3}
        };

        for (Object obj : objects) {
            String description = describeObject(obj);
            System.out.println(description);
        }
    }

    // 使用模式匹配的switch表达式
    private static String describeObject(Object obj) {
        return switch (obj) {
            case String s -> "字符串: " + s;
            case Integer i -> "整数: " + i;
            case Double d -> "浮点数: " + d;
            case Circle c -> "圆形, 半径: " + c.radius();
            case null -> "空对象";
            default -> "未知类型: " + obj.getClass().getSimpleName();
        };
    }

    public static void demonstrateRandomGenerator() {
        System.out.println("\n=== 新的随机数生成器API示例 ===");

        // 获取所有可用的随机数生成器算法
        RandomGeneratorFactory.all()
                .map(factory -> factory.name() + " - " + factory.group())
                .sorted()
                .forEach(System.out::println);

        // 创建特定算法的随机数生成器 - L64X256MixRandom是高性能算法
        RandomGenerator l64X256Random = RandomGeneratorFactory.of("L64X256MixRandom")
                .create();

        // 生成随机数
        System.out.println("\n使用L64X256MixRandom生成随机数:");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("随机数 " + (i + 1) + ": " + l64X256Random.nextInt(100));
        }

        // 与旧Random对比，新算法性能更优
        Random legacyRandom = new Random();
        System.out.println("\n旧Random vs 新RandomGenerator:");
        System.out.println("旧Random: " + legacyRandom.nextInt(100));
        System.out.println("新RandomGenerator: " + l64X256Random.nextInt(100));
    }
}

// 密封类和接口定义

// 密封接口 - 只允许指定的类实现
sealed interface Shape permits Circle, Rectangle, Square {
    String name();
}

// 密封类 - 只允许指定的类继承
sealed class AbstractShape permits Circle, Rectangle, Square {
    private final String color;

    public AbstractShape(String color) {
        this.color = color;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }
}

// 最终类 - 不能再被继承
final class Circle extends AbstractShape implements Shape {
    private final double radius;

    public Circle(double radius) {
        this(radius, "red");
    }

    public Circle(double radius, String color) {
        super(color);
        this.radius = radius;
    }

    public double radius() {
        return radius;
    }

    @Override
    public String name() {
        return "Circle";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.format("Circle(radius=%.2f, color=%s)", radius, getColor());
    }
}

// 非密封类 - 可以被任意继承
non-sealed class Rectangle extends AbstractShape implements Shape {
    private final double width;
    private final double height;

    public Rectangle(double width, double height) {
        this(width, height, "blue");
    }

    public Rectangle(double width, double height, String color) {
        super(color);
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    public double width() {
        return width;
    }

    public double height() {
        return height;
    }

    @Override
    public String name() {
        return "Rectangle";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.format("Rectangle(width=%.2f, height=%.2f, color=%s)",
                width, height, getColor());
    }
}

// 最终类
final class Square extends AbstractShape implements Shape {
    private final double side;

    public Square(double side) {
        this(side, "green");
    }

    public Square(double side, String color) {
        super(color);
        this.side = side;
    }

    public double side() {
        return side;
    }

    @Override
    public String name() {
        return "Square";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.format("Square(side=%.2f, color=%s)", side, getColor());
    }
}

6. 总结

JDK 17作为长期支持(LTS)版本，引入了多项重要特性和性能改进，为Java开发者带来了更好的开发体验和性能表现。从密封类到模式匹配switch，从新随机数生成器API到外部函数和内存API，这些特性不仅使代码更简洁、更安全，还显著提升了应用程序的性能。

通过合理使用JDK 17的新特性，开发者可以：

  • 编写更安全、更可维护的代码
  • 利用编译器的优化提高性能
  • 减少样板代码，提高开发效率
  • 与本地代码和内存更高效地交互
  • 提升数值计算性能

JDK 17的发布标志着Java平台的持续演进，为Java在现代应用开发中保持竞争力奠定了基础。对于企业应用和长期项目，升级到JDK 17可以获得更好的性能、更丰富的功能和更长的支持周期，是一个值得考虑的选择。

此外，JDK 17中的预览特性也为未来版本的发展指明了方向，开发者可以通过关注这些特性，为未来的Java版本做好准备，保持技术的先进性。

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