JDK 20 新特性详解
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Java 20 作为一个非长期支持版本（non-LTS），于2023年3月21日正式发布。这个版本继续改进了一些重要的预览特性，让我们一起来了解这些新特性。
1. 虚拟线程（第二次预览）
虚拟线程的第二次预览版本带来了一些改进：
public class EnhancedVirtualThreadExample {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 创建虚拟线程
Thread.Builder.OfVirtual builder = Thread.ofVirtual();
Thread vThread = builder.start(() -> {
System.out.println("在虚拟线程中运行");
});
// 使用虚拟线程执行器处理大量任务
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
List<Future<String>> futures = new ArrayList<>();
// 提交多个任务
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
final int taskId = i;
futures.add(executor.submit(() -> {
// 模拟 IO 操作
Thread.sleep(Duration.ofMillis(100));
return "任务 " + taskId + " 完成";
}));
}
// 收集结果
for (Future<String> future : futures) {
System.out.println(future.get());
}
}
// 使用结构化并发
try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
// 并行执行多个操作
Future<String> auth = scope.fork(() -> authenticateUser("user123"));
Future<List<String>> perms = scope.fork(() -> fetchPermissions("user123"));
Future<UserProfile> profile = scope.fork(() -> loadUserProfile("user123"));
scope.join(); // 等待所有任务完成
scope.throwIfFailed(); // 检查失败
// 处理结果
processUserData(
auth.resultNow(),
perms.resultNow(),
profile.resultNow()
);
}
}
// 模拟用户认证
private static String authenticateUser(String userId) throws Exception {
Thread.sleep(100);
return "TOKEN_" + userId;
}
// 模拟权限获取
private static List<String> fetchPermissions(String userId) throws Exception {
Thread.sleep(150);
return List.of("READ", "WRITE", "EXECUTE");
}
// 模拟用户档案加载
private static UserProfile loadUserProfile(String userId) throws Exception {
Thread.sleep(200);
return new UserProfile(userId, "张三", "zhang@example.com");
}
// 处理用户数据
private static void processUserData(
String token,
List<String> permissions,
UserProfile profile
) {
System.out.printf(
"用户 %s 已认证，权限：%s，邮箱：%s%n",
profile.name(),
String.join(",", permissions),
profile.email()
);
}
record UserProfile(String id, String name, String email) {}
}
改进特性：
- 更好的线程生命周期管理
- 改进的调度器
- 更好的监控和调试支持
- 与结构化并发的更好整合
2. 作用域值（预览）
引入了作用域值的概念，用于在调用链中传递数据：
public class ScopedValuesExample {
// 定义作用域值
private static final ScopedValue<String> TRANSACTION_ID =
ScopedValue.newInstance();
private static final ScopedValue<User> CURRENT_USER =
ScopedValue.newInstance();
public static void main(String[] args) {
// 在作用域中运行
ScopedValue.where(TRANSACTION_ID, "tx123")
.where(CURRENT_USER, new User("admin"))
.run(() -> processRequest());
// 使用虚拟线程和作用域值
Thread.startVirtualThread(() -> {
ScopedValue.where(TRANSACTION_ID, "tx456")
.where(CURRENT_USER, new User("user1"))
.run(() -> {
// 在新的虚拟线程中访问作用域值
processRequest();
});
});
}
private static void processRequest() {
// 获取当前作用域的值
String txId = TRANSACTION_ID.get();
User user = CURRENT_USER.get();
System.out.printf(
"处理请求：事务ID=%s，用户=%s%n",
txId,
user.name()
);
// 调用其他方法，作用域值会自动传递
performBusinessLogic();
}
private static void performBusinessLogic() {
// 在调用链中访问作用域值
String txId = TRANSACTION_ID.get();
User user = CURRENT_USER.get();
System.out.printf(
"执行业务逻辑：事务ID=%s，用户=%s%n",
txId,
user.name()
);
}
// 支持结构化并发
private static void parallelProcessing() throws Exception {
try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
// 作用域值会自动传递给子任务
scope.fork(() -> {
String txId = TRANSACTION_ID.get();
return "Task 1: " + txId;
});
scope.fork(() -> {
User user = CURRENT_USER.get();
return "Task 2: " + user.name();
});
scope.join();
scope.throwIfFailed();
}
}
record User(String name) {}
}
特点：
- 线程安全的数据传递
- 不可变性保证
- 自动传播到子线程
- 作用域限制
3. Record 模式（第二次预览）
Record 模式匹配的改进版本：
public class EnhancedRecordPatternExample {
// 复杂的记录类型
record Point(int x, int y) {}
record Line(Point start, Point end) {}
record Triangle(Point a, Point b, Point c) {}
record ColoredShape(Color color, Shape shape) {}
record Color(int red, int green, int blue) {}
sealed interface Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {}
record Circle(Point center, double radius) implements Shape {}
record Rectangle(Point topLeft, Point bottomRight) implements Shape {}
// 增强的模式匹配
static String describeShape(ColoredShape coloredShape) {
return switch (coloredShape) {
case ColoredShape(
Color(var r, var g, var b),
Circle(Point(var x, var y), var radius)
) -> String.format(
"RGB(%d,%d,%d)的圆形，中心在(%d,%d)，半径%.1f",
r, g, b, x, y, radius
);
case ColoredShape(
Color(var r, var g, var b),
Rectangle(Point(var x1, var y1), Point(var x2, var y2))
) -> String.format(
"RGB(%d,%d,%d)的矩形，从(%d,%d)到(%d,%d)",
r, g, b, x1, y1, x2, y2
);
case ColoredShape(var color, var shape) ->
"其他彩色形状";
};
}
// 在 if 语句中使用增强的模式匹配
static void processLine(Object obj) {
if (obj instanceof Line(Point(var x1, var y1), Point(var x2, var y2))) {
double length = Math.sqrt(
Math.pow(x2 - x1, 2) + Math.pow(y2 - y1, 2)
);
System.out.printf("线段长度：%.2f%n", length);
}
}
// 组合使用多个模式
static void analyzeGeometry(Object obj) {
if (obj instanceof Triangle(
Point(var x1, var y1),
Point(var x2, var y2),
Point(var x3, var y3)
)) {
// 计算三角形面积（使用海伦公式）
double a = distance(x1, y1, x2, y2);
double b = distance(x2, y2, x3, y3);
double c = distance(x3, y3, x1, y1);
double s = (a + b + c) / 2;
double area = Math.sqrt(s * (s - a) * (s - b) * (s - c));
System.out.printf("三角形面积：%.2f%n", area);
}
}
private static double distance(int x1, int y1, int x2, int y2) {
return Math.sqrt(Math.pow(x2 - x1, 2) + Math.pow(y2 - y1, 2));
}
}
改进：
- 更强大的嵌套模式
- 更好的类型推断
- 改进的语法支持
- 与密封类的更好整合
4. Switch 模式匹配（第五次预览）
Switch 模式匹配的持续改进：
public class EnhancedSwitchPatternExample {
// 使用改进的 Switch 模式匹配
static String formatValue(Object obj) {
return switch (obj) {
// 基本类型匹配
case Integer i when i > 0 ->
String.format("正整数：%d", i);
case Integer i ->
String.format("非正整数：%d", i);
case Double d when d > 0 ->
String.format("正小数：%.2f", d);
case Double d ->
String.format("非正小数：%.2f", d);
// 字符串匹配
case String s when s.length() > 10 -> "长字符串";
case String s when s.isEmpty() -> "空字符串";
case String s -> "普通字符串";
// 数组匹配
case int[] arr when arr.length == 0 -> "空数组";
case int[] arr ->
String.format("数组（长度=%d）", arr.length);
// 记录匹配
case Point p when p.x() == p.y() ->
"对角线上的点";
case Point p ->
String.format("点(%d,%d)", p.x(), p.y());
// null 处理
case null -> "空值";
default -> obj.toString();
};
}
// 在方法返回值中使用模式匹配
static double calculateArea(Shape shape) {
return switch (shape) {
case Circle c when c.radius() <= 0 ->
throw new IllegalArgumentException("半径必须为正数");
case Circle c ->
Math.PI * c.radius() * c.radius();
case Rectangle r when r.width() <= 0 || r.height() <= 0 ->
throw new IllegalArgumentException("边长必须为正数");
case Rectangle r ->
r.width() * r.height();
case Triangle t when t.base() <= 0 || t.height() <= 0 ->
throw new IllegalArgumentException("底或高必须为正数");
case Triangle t ->
0.5 * t.base() * t.height();
};
}
// 组合使用 Switch 表达式
static void processShape(ColoredShape shape) {
var description = switch (shape) {
case ColoredShape(var color, var s) -> switch (color) {
case Color(var r, var g, var b) when r > g && r > b ->
"红色为主的" + describeShape(s);
case Color(var r, var g, var b) when g > r && g > b ->
"绿色为主的" + describeShape(s);
case Color(var r, var g, var b) when b > r && b > g ->
"蓝色为主的" + describeShape(s);
default ->
"混合色的" + describeShape(s);
};
};
System.out.println(description);
}
private static String describeShape(Shape s) {
return switch (s) {
case Circle c -> "圆形";
case Rectangle r -> "矩形";
case Triangle t -> "三角形";
};
}
// 数据类型定义
record Point(int x, int y) {}
sealed interface Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {}
record Circle(double radius) implements Shape {}
record Rectangle(double width, double height) implements Shape {}
record Triangle(double base, double height) implements Shape {}
record Color(int red, int green, int blue) {}
record ColoredShape(Color color, Shape shape) {}
}
改进：
- 更强大的模式组合
- 改进的类型检查
- 更好的 null 处理
- 更灵活的守卫表达式
5. 向量 API（第五次孵化）
向量 API 的进一步改进：
public class EnhancedVectorAPIExample {
// 基础向量运算
static void basicVectorOperations() {
var species = FloatVector.SPECIES_256;
var mask = species.maskAll(true);
// 创建向量
var v1 = FloatVector.broadcast(species, 1.0f);
var v2 = FloatVector.broadcast(species, 2.0f);
// 数学运算
var sum = v1.add(v2);
var product = v1.mul(v2);
var max = v1.max(v2);
// 条件操作
var result = v1.blend(v2, mask);
}
// 向量化图像处理
static void processImage(float[] pixels, float brightness) {
var species = FloatVector.SPECIES_256;
int length = pixels.length;
int upperBound = species.loopBound(length);
// 亮度调整
var brightnessVector = FloatVector.broadcast(species, brightness);
int i = 0;
for (; i < upperBound; i += species.length()) {
var v = FloatVector.fromArray(species, pixels, i);
v.mul(brightnessVector).intoArray(pixels, i);
}
// 处理剩余元素
for (; i < length; i++) {
pixels[i] *= brightness;
}
}
// 复杂数学计算
static void complexMathOperations(float[] data) {
var species = FloatVector.SPECIES_256;
int length = data.length;
int upperBound = species.loopBound(length);
for (int i = 0; i < upperBound; i += species.length()) {
var v = FloatVector.fromArray(species, data, i);
// 复杂数学运算链
var result = v.mul(2.0f) // 乘以2
.add(1.0f) // 加1
.abs() // 绝对值
.sqrt() // 平方根
.pow(2.0f) // 平方
.min(10.0f) // 限制最大值
.sin() // 正弦
.max(0.0f); // 限制最小值
result.intoArray(data, i);
}
}
// 向量化矩阵运算
static void matrixMultiplication(
float[][] a,
float[][] b,
float[][] c,
int size
) {
var species = FloatVector.SPECIES_256;
int vectorLength = species.length();
for (int i = 0; i < size; i++) {
for (int j = 0; j < size; j++) {
var sum = FloatVector.zero(species);
int k = 0;
// 向量化内循环
for (; k < size - vectorLength + 1; k += vectorLength) {
var va = FloatVector.fromArray(species, a[i], k);
var vb = FloatVector.fromArray(species, b[j], k);
sum = va.fma(vb, sum); // 融合乘加运算
}
// 累加结果
float result = sum.reduceAdd();
// 处理剩余元素
for (; k < size; k++) {
result += a[i][k] * b[j][k];
}
c[i][j] = result;
}
}
}
}
改进：
- 更多的数学运算支持
- 改进的性能优化
- 更好的平台适配
- 增强的编译器支持
总结
JDK 20 继续改进了多个重要的预览特性。虚拟线程和作用域值的改进为并发编程带来了新的范式，而 Record 模式和 Switch 模式匹配的持续优化则使得代码更加简洁和类型安全。向量 API 的改进也为性能优化提供了更多可能。
对于开发者来说，建议：
- 深入了解虚拟线程的使用场景和最佳实践
- 探索作用域值在应用中的潜在用途
- 使用新的模式匹配特性提高代码质量
- 在性能关键场景中评估向量 API
- 持续关注预览特性的演进
虽然 JDK 20 是一个过渡版本，但它为 Java 的未来发展奠定了重要基础，这些特性的改进显示了 Java 在现代编程语言中保持竞争力的决心。