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Java 作为一种广泛应用的编程语言，不断演进以适应新的编程需求和技术趋势。Java 21 带来了一系列令人期待的新特性，这些特性不仅增强了语言的功能，还提高了开发效率和程序的性能。本文将详细介绍 Java 21 的一些主要新特性，并通过示例展示它们的应用。

一、引言

Java 持续的更新迭代使其保持在编程语言领域的竞争力。每一个新版本都引入了新的功能、改进和优化，以满足开发者不断变化的需求。Java 21 也不例外，它为我们带来了一些重要的新特性，涵盖了语言的各个方面，从语法改进到性能提升，再到新的编程模式支持。

二、Java 21 的新特性详解

（一）虚拟线程（Virtual Threads）

概念与原理
- 虚拟线程是 Java 21 中引入的一项重要特性，旨在提高并发编程的效率和性能。它是一种轻量级的线程实现，允许在单个操作系统线程上运行大量的虚拟线程。与传统的操作系统线程相比，虚拟线程的创建和切换成本极低，这使得开发者可以更轻松地编写高并发的应用程序。
- 虚拟线程基于 Project Loom 项目，它通过在 Java 运行时层面对线程进行管理和调度，实现了高效的资源利用。在传统的并发编程中，每个线程都对应着一个操作系统线程，而操作系统线程的创建和切换开销较大。虚拟线程则是在 Java 层面进行管理，当一个虚拟线程被阻塞时，Java 运行时可以快速地将其切换到另一个可运行的虚拟线程，而不需要进行操作系统层面的线程切换，从而大大提高了并发性能。
应用示例
- 假设我们要编写一个简单的网络爬虫程序，需要同时下载多个网页的内容。使用传统的线程模型，我们可能会创建一个线程池来管理线程，每个线程负责下载一个网页。但是，当线程数量较多时，线程的创建和切换开销会成为性能瓶颈。使用虚拟线程，我们可以轻松地创建大量的虚拟线程来并行下载网页，而不用担心性能问题。

import java.net.URL;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;public class VirtualThreadWebCrawler {public static void main(String[] args) throws Exception {String[] urls = {"https://www.example.com/page1","https://www.example.com/page2","https://www.example.com/page3",// 添加更多的网页链接};ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();for (String url : urls) {Future<String> future = executor.submit(() -> {try {URL website = new URL(url);java.util.Scanner scanner = new java.util.Scanner(website.openStream(), StandardCharsets.UTF_8);String content = scanner.useDelimiter("\\A").next();scanner.close();return content;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();return null;}});try {String pageContent = future.get();if (pageContent!= null) {System.out.println("Downloaded content from " + url);// 在这里可以对下载的内容进行进一步处理，如解析、存储等}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}executor.shutdown();}
}

在这个示例中，我们使用Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()创建了一个虚拟线程执行器。然后，我们将每个网页的下载任务提交给执行器，每个任务都会在一个虚拟线程中执行。虚拟线程的轻量级特性使得我们可以创建大量的虚拟线程来并行下载网页，而不会对系统性能造成过大的压力。

（二）模式匹配（Pattern Matching for switch）

特性介绍
- Java 21 对switch语句进行了扩展，引入了模式匹配功能。这使得switch语句不仅可以基于值进行匹配，还可以基于模式进行匹配，从而提供了更强大的表达能力和代码可读性。
- 模式匹配允许我们在switch语句中对不同类型的对象进行更细致的分析和处理。例如，我们可以根据对象的类型、结构或者特定的属性值来进行匹配，并执行相应的代码块。这在处理复杂的数据结构和多态性方面非常有用，可以减少代码中的冗长的if-else嵌套结构，使代码更加清晰和易于维护。
示例用法
- 假设我们有一个形状的抽象类Shape，以及它的子类Circle、Rectangle和Triangle。我们想要根据不同的形状类型计算它们的面积。使用传统的if-else结构，代码可能会如下所示：

public class ShapeAreaCalculator {public double calculateArea(Shape shape) {if (shape instanceof Circle) {Circle circle = (Circle) shape;return Math.PI * circle.getRadius() * circle.getRadius();} else if (shape instanceof Rectangle) {Rectangle rectangle = (Rectangle) shape;return rectangle.getWidth() * rectangle.getHeight();} else if (shape instanceof Triangle) {Triangle triangle = (Triangle) shape;return 0.5 * triangle.getBase() * triangle.getHeight();} else {throw new IllegalArgumentException("Unknown shape type");}}
}

使用 Java 21 的模式匹配switch语句，代码可以变得更加简洁和清晰：

public class ShapeAreaCalculator {public double calculateArea(Shape shape) {return switch (shape) {case Circle circle -> Math.PI * circle.getRadius() * circle.getRadius();case Rectangle rectangle -> rectangle.getWidth() * rectangle.getHeight();case Triangle triangle -> 0.5 * triangle.getBase() * triangle.getHeight();default -> throw new IllegalArgumentException("Unknown shape type");};}
}

在这个示例中，switch语句根据shape对象的具体类型进行模式匹配，并直接返回相应形状的面积计算结果。这种方式不仅减少了代码的行数，还提高了代码的可读性和可维护性，使我们更容易理解代码的逻辑。

（三）记录模式（Record Patterns）

概念解析
- 记录模式是 Java 21 中另一个与模式匹配相关的新特性。它允许我们在模式匹配中更方便地解构和处理记录类型（Record）的数据。记录是 Java 14 引入的一种轻量级的不可变数据类型，用于表示一组相关的数据。记录模式使得我们可以在switch语句或其他需要模式匹配的地方，根据记录的字段值进行更精确的匹配和处理。
- 例如，我们有一个表示点坐标的记录类型Point，它有x和y两个字段。我们可以使用记录模式在switch语句中根据点的坐标值进行不同的处理。
示例代码

public record Point(int x, int y) {}public class PointProcessor {public void processPoint(Point point) {switch (point) {case Point(0, 0) -> System.out.println("Origin point");case Point(x, y) where (x > 0 && y > 0) -> System.out.println("Point in the first quadrant");case Point(x, y) where (x < 0 && y > 0) -> System.out.println("Point in the second quadrant");case Point(x, y) where (x < 0 && y < 0) -> System.out.println("Point in the third quadrant");case Point(x, y) where (x > 0 && y < 0) -> System.out.println("Point in the fourth quadrant");default -> System.out.println("Unknown point");}}
}

在这个示例中，我们定义了一个Point记录类型来表示点的坐标。PointProcessor类中的processPoint方法使用记录模式在switch语句中根据点的坐标值进行不同的处理。例如，当点的坐标为(0, 0)时，输出 “Origin point”；当点在第一象限时，输出 “Point in the first quadrant” 等。这种方式使得我们可以更方便地对记录类型的数据进行模式匹配和处理，提高了代码的灵活性和可读性。

（四）密封类和接口（Sealed Classes and Interfaces）

特性概述
- 密封类和接口是 Java 21 中用于限制类或接口继承层次结构的新特性。密封类或接口可以明确指定哪些类可以继承或实现它们，从而提供了更好的类型安全性和代码结构的可维护性。
- 密封类或接口使用sealed修饰符进行定义，并在permits子句中列出允许继承或实现的类或接口。如果一个类没有在permits子句中列出，那么它就不能继承密封类或实现密封接口。这种限制可以防止意外的继承或实现，使得代码的结构更加清晰和可预测。
应用场景示例
- 假设我们正在开发一个图形绘制系统，有不同类型的图形，如圆形Circle、矩形Rectangle和三角形Triangle，它们都继承自一个抽象的图形类Shape。我们希望限制只有这几种特定的图形类可以继承Shape类，以确保图形系统的类型安全和可维护性。我们可以使用密封类来实现这个目的。

public abstract sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {// 抽象方法，用于计算图形的面积public abstract double area();
}public final class Circle extends Shape {private final double radius;public Circle(double radius) {this.radius = radius;}@Overridepublic double area() {return Math.PI * radius * radius;}
}public final class Rectangle extends Shape {private final double width;private final double height;public Rectangle(double width, double height) {this.width = width;this.height = height;}@Overridepublic double area() {return width * height;}
}public final class Triangle extends Shape {private final double base;private final double height;public Triangle(double base, double height) {this.base = base;this.height = height;}@Overridepublic double area() {return 0.5 * base * height;}
}

在这个示例中，Shape类被定义为密封类，它只允许Circle、Rectangle和Triangle类继承。这样，我们就可以确保在图形系统中，只有这几种特定的图形类可以作为Shape的子类，从而提高了代码的安全性和可维护性。如果我们尝试创建一个其他类来继承Shape类，而这个类没有在permits子句中列出，编译器将会报错。

三、Java 21 新特性对开发的影响

（一）提高并发编程效率

虚拟线程的引入极大地提高了并发编程的效率。开发者可以更轻松地编写高并发的应用程序，而不需要过多地关注线程的创建和管理成本。这对于开发需要处理大量并发任务的应用程序，如网络服务器、分布式系统等，具有重要的意义。它可以显著提高系统的吞吐量和响应性能，同时降低资源消耗。

（二）增强代码可读性和可维护性

模式匹配和记录模式的改进使得代码更加清晰和易于理解。通过更简洁和直观的方式处理不同类型的数据和情况，减少了复杂的if-else嵌套结构，提高了代码的可读性和可维护性。这有助于开发者更快地理解代码的逻辑，降低出错的概率，并更容易进行代码的修改和扩展。

（三）提升类型安全性

密封类和接口的特性增强了类型安全性。通过明确限制类或接口的继承层次结构，减少了意外的继承或实现，使得代码的结构更加清晰和可预测。这有助于在大型项目中更好地管理类型系统，提高代码的质量和可靠性，减少潜在的错误和安全漏洞。

四、如何在项目中应用 Java 21 的新特性

（一）评估项目需求

在考虑应用 Java 21 的新特性之前，首先需要评估项目的需求和特点。如果项目涉及大量的并发任务处理，那么虚拟线程可能会带来显著的性能提升。如果项目中有复杂的数据结构和多态性处理，模式匹配和记录模式可以提高代码的可读性和可维护性。密封类和接口则适用于需要严格控制类型继承结构的场景。

（二）升级开发环境

确保开发环境支持 Java 21。这可能需要更新 Java 开发工具包（JDK）和相关的开发工具。同时，需要对项目的构建系统进行相应的配置，以确保能够正确编译和运行使用 Java 21 新特性的代码。

（三）培训和学习

开发者需要学习和了解 Java 21 的新特性及其使用方法。可以通过阅读官方文档、参加培训课程、参考示例代码等方式进行学习。对于团队开发，还需要进行内部的培训和知识共享，以确保整个团队都能够熟练应用新特性。

（四）逐步引入和测试

在项目中逐步引入新特性，并进行充分的测试。可以先在一些非关键模块或功能中进行试点，验证新特性的有效性和稳定性。在测试过程中，要注意与旧版本代码的兼容性，以及新特性可能带来的潜在问题。及时解决测试中发现的问题，确保项目的正常运行。

五、结论

Java 21 的新特性为开发者带来了许多好处，包括提高并发编程效率、增强代码可读性和可维护性、提升类型安全性等。虚拟线程、模式匹配、记录模式和密封类和接口等特性为我们提供了更强大的工具和方法来编写高质量的 Java 代码。在实际项目中，合理应用这些新特性可以提高开发效率，优化程序性能，使我们的代码更加健壮和易于维护。然而，在应用新特性时，我们也需要谨慎评估项目需求，进行充分的测试和学习，以确保新特性的正确使用和项目的顺利进行。随着 Java 的不断发展，我们期待未来的版本会带来更多的创新和改进，为开发者创造更好的编程体验。