跟妹妹聊到 Java 16 新特征，真香！

敖丙

发布于 2021-03-25 10:14:17

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发布于 2021-03-25 10:14:17

文章被收录于专栏：三太子敖丙

Java 16新特性

2021年3月16日，甲骨文正式发布了Java 16！想当年JDK1.6新出的场景和历历在目，一瞬间，版本已经变成了16，真正体会了一把什么叫做光阴似箭，沧海桑田。虽然目前大部分的场合，Java8还占着主导地位，但我猜想各位Javaer应该对Java16的新特性也大有兴趣吧！

看完之后我觉得这次更新还是很有意思的，我就精选几个Java16的新特性，供大家一饱眼福！（大家可以自己建个项目用起来试试）

支持模式匹配的instanceof

想想你是怎么用instanceof的吧，一个例子：

if (obj instanceof String) {
    String s = (String) obj;    // grr...
    ...
}

这代码是不是让人蛋疼，我都知道是个String了，还让我强转一下，该改进一下啦~

if (obj instanceof String s) {
    //这里s随你用了 从类型判断，到变量定义，类型转换，一气呵成，爽不爽？
}

进一步的，还可以这么用，模式变量s在判断条件里直接使用

if (obj instanceof String s && s.length() > 5) {
    flag = s.contains("jdk");
}

不过要小心，下面的用法是错误的(原因就不多解释啦)：

if (obj instanceof String s || s.length() > 5) {    // Error!
    ...
}

Records类型

我们对Java最大的意见是啥？当然是太繁琐了，一个简单的功能，繁重的语法要整出好几十行，不急，改进这就来了，看看新的Recodes类型吧！

假设你现在有这么一个类:

这是一个典型的不可变的数据对象，equals ()方法， hashCode()方法，toString()方法其实都是比较通用的。但是我们不得不为它多写那么几行代码。虽然有IDE的鼎力协助，但是看上去还是不怎么爽（如果没有IDE，更要哭了）。不过没事Records来了！用Records来表示上面的类，你只需要:

record Point(int x, int y) { }

是不是特别简单，感觉心里特别爽？record类和普通的class不太一样，它会帮你隐式生成一些字段和构造函数。比如上面的record就会编译成这样：

record Point(int x, int y) {
    // 隐式生成字段
    private final int x;
    private final int y;
    // 隐式生成构造函数，并带上所有的参数
    Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

ZGC并发线程处理

ZGC是The Z Garbage Collector，是JDK 11中推出的一款低延迟垃圾回收器，它尝试解决GC之痛，也就是停顿。

同时，它也将面向以TB为单位的超大规模的内存。在Java 16中，ZGC的线程栈处理的众多操作，从检查点移动到了并发阶段，这样意味着停顿更小了。（后面准备出个zgc相关的文章，顺便测一波这次的停顿优化时长）

弹性元空间

在Java虚拟机中，元空间用来保存一些类的元信息，并且，元空间中的数据是可以被垃圾回收的。但不幸的是，空闲的未被使用的元空间并不会归还给操作系统，这就导致了内存浪费。

这个新特性就是为了解决这个问题，它使得虚拟机可以从元空间中归还未使用的内存，从而更加有效得利用物理内存。同时有一个新的虚拟机参数可以用来控制这种回收的执行强度：-XX:MetaspaceReclaimPolicy=(balanced|aggressive|none)

Unix Domain套接字

Unix Domain套接字本身提供给了一套兼容于网络编程，但是更加可靠、高效、安全的进程间通信方式，它不需要经过网络协议栈，不需要打包拆包、计算校验和、维护序号和应答等，只是将应用层数据从一个进程拷贝到另一个进程。

在Java 16中，已经可以直接使用这种套接字(Unix-domain (AF_UNIX)，虽然叫做UNIX套接字，windows 10和Windows Server 2019也是可以使用的)了。为了支持Unix Domain套接字，新增了专门的java.net.UnixDomainSocketAddress类，下面看一下它的使用：

新的打包工具

提供了一个新的打包工具jpackage，用来打包独立的Java应用程序。这个工具可以生成windows上的exe和msi，MacOS上的pkg和dmg，以及linux上的deb和rpm。它很好的给用户提供了一键式安装Java程序的好方法。

比如，对于非模块化的应用，可以这么打包：

jpackage --name myapp --input lib --main-jar main.jar
或者 直接指定main class
jpackage --name myapp --input lib --main-jar main.jar --main-class myapp.Main

对于模块化的应用：

jpackage --name myapp --module-path lib -m myapp
或者直接指定main class
jpackage --name myapp --module-path lib -m myapp/myapp.Main

值对象错误使用的警告

值对象，比如java.lang.Integer, java.lang.Double之类的不变对象，在废弃构造函数的基础上，进一步标记为forRemoval（不要再使用它们的构造函数了哦！）。

同时，如果在值对象上进行同步，将会被警告，比如：

Double d = 20.0;
synchronized (d) { ... } // javac和hotsopt都会警告
Object o = d;
synchronized (o) { ... } // HotSpot 会警告

在虚拟机层面，还提供了参数可以在虚拟机层面控制报错行为：

-XX:DiagnoseSyncOnValueBasedClasses=1 将这种同步行为视为致命错误
-XX:DiagnoseSyncOnValueBasedClasses=2 打开日志，在控制台和飞行记录仪中记录这种同步行为

默认限制使用JDK内部API

对于一些JDK内部的API，作出了更严格的限制。比如 com.sun.*, jdk.*, and org.* 这些包里的API，从Java 16开始，默认已经禁止使用了。因此，鼓励大家使用标准API，而不是内部API（点击这里查看可以替换的内部API）。比如说下面这句代码，在Java 16中将报错：

System.out.println(sun.security.util.SecurityConstants.ALL_PERMISSION);

错误示例：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalAccessError: class Test
  (in unnamed module @0x5e481248) cannot access class
  sun.security.util.SecurityConstants (in module java.base) because
  module java.base does not export sun.security.util to unnamed
  module @0x5e481248

同时，JDK还提供--illegal-access参数用来控制对内部API的使用：

--illegal-access=permit 允许使用内部API
--illegal-access=warn 允许使用内部API，不过每次使用会得到一个警告
--illegal-access=debug 允许使用内部API，会更详细的打印每一个错误的调用堆栈，用它你就可以找到你在哪里有不正确的调用，就可以修复那些不合适的使用
--illegal-access=deny 禁止使用内部API

孵化项目：向量API

我们知道，像Go这样的后起之秀，已经在内部使用了AVX指令，性能飙升。Java在这方面也不甘示弱，在Java 16中，向量API作为一个孵化项目，允许我们直接使用SIMD指令来提高性能（如果有效使用，这波就带你起飞了）。

让我们先一睹为快吧！

下面是一个简单的标量计算：

void scalarComputation(float[] a, float[] b, float[] c) {
   for (int i = 0; i < a.length; i++) {
        c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
   }
}

重点来了，使用AVX2带你起飞：

//256位的向量浮点运算
static final VectorSpecies<Float> SPECIES = FloatVector.SPECIES_256;

void vectorComputation(float[] a, float[] b, float[] c) {
    int i = 0;
    int upperBound = SPECIES.loopBound(a.length);
    for (; i < upperBound; i += SPECIES.length()) {
        // FloatVector va, vb, vc;
        var va = FloatVector.fromArray(SPECIES, a, i);
        var vb = FloatVector.fromArray(SPECIES, b, i);
        var vc = va.mul(va).
                    add(vb.mul(vb)).
                    neg();
        vc.intoArray(c, i);
    }

    for (; i < a.length; i++) {
        c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
    }
}

孵化项目：外部链接API

你是不是有抱怨过JNI太难用了？没关系，JNI的进化版来了，这就是外部链接器！它提供了一个静态的，纯Java的访问本地native 代码的方法，它将极大简化我们调用本地代码的过程。

新的API：

LibraryLookup::ofDefault：返回被JVM加载的库，可以看到所有这些库的符号
LibraryLookup::ofPath：加载指定路径
LibraryLookup::ofLibrary ：根据库名，加载库

下面代码展示了，使用Java调用clang库中的clang_getClangVersion()方法：

LibraryLookup libclang = LibraryLookup.ofLibrary("clang");
LibraryLookup.Symbol clangVersion = libclang.lookup("clang_getClangVersion");

另外一个重要的类是C链接器：

interface CLinker {
    MethodHandle downcallHandle(LibraryLookup.Symbol func,
                                MethodType type,
                                FunctionDescriptor function);
    MemorySegment upcallStub(MethodHandle target,
                             FunctionDescriptor function);
}

downcallHandle()表示在Java中调用本地方法；upcallStub()方法在native方法中调用java代码。

下面的代码展示了如何在Java代码中，调用C函数size_t strlen(const char *s)：

MethodHandle strlen = CLinker.getInstance().downcallHandle(
        LibraryLookup.ofDefault().lookup("strlen"),
        MethodType.methodType(long.class, MemoryAddress.class),
        FunctionDescriptor.of(C_LONG, C_POINTER)
    );

上面代码首先找到strlen符号；然后描述它的签名。最后使用downcallHandle()得到表示strlen()函数的MethodHandle对象；最后，就可以调用strlen()方法啦~

try (MemorySegment str = CLinker.toCString("Hello")) {
   long len = strlen.invokeExact(str.address()); // 5
}

反过来，也可以把Java函数作为参数传递给C函数进行回调：

比如有一个C函数：

void qsort(void *base, size_t nmemb, size_t size,
           int (*compar)(const void *, const void *));

要调用这个C函数，必须准备一个函数指针compar，为了使用它，我们首先要得到它的MethodHandle：

MethodHandle qsort = CLinker.getInstance().downcallHandle(
        LibraryLookup.ofDefault().lookup("qsort"),
        MethodType.methodType(void.class, MemoryAddress.class, long.class,
                              long.class, MemoryAddress.class),
        FunctionDescriptor.ofVoid(C_POINTER, C_LONG, C_LONG, C_POINTER)
    );

接着，用一个纯Java类来实现compar函数：

class Qsort {
    static int qsortCompare(MemoryAddress addr1, MemoryAddress addr2) {
            return MemoryAccess.getIntAtOffset(MemorySegment.ofNativeRestricted(), 
                                               addr1.toRawLongValue()) - 
                   MemoryAccess.getIntAtOffset(MemorySegment.ofNativeRestricted(),
                                               addr2.toRawLongValue());
    }
}

然后需要一个MethodHandle指向上述函数：

MethodHandle comparHandle
    = MethodHandles.lookup()
                   .findStatic(Qsort.class, "qsortCompare",
                               MethodType.methodType(int.class,
                                                     MemoryAddress.class,
                                                     MemoryAddress.class));

然后，使用upcallStub()方法，得到一个函数指针（应该说是用Java描述的C函数指针）：

MemorySegment comparFunc
    = CLinker.getInstance().upcallStub(comparHandle,
                                            FunctionDescriptor.of(C_INT,
                                                                  C_POINTER,
                                                                  C_POINTER));
);

最后，把这个"C函数指针"传给C函数：

try (MemorySegment array = MemorySegment.allocateNative(4 * 10)) {
    array.copyFrom(MemorySegment.ofArray(new int[] { 0, 9, 3, 4, 6, 5, 1, 8, 2, 7 }));
    qsort.invokeExact(array.address(), 10L, 4L, comparFunc.address());
    int[] sorted = array.toIntArray(); // [ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ]
}

好了，这就是使用外部链接API来使用本地代码的全过程，是不是很酷炫呢？

预览功能：密封类

类的继承是面向对象的一个重要特性，但是滥用继承对对象模型的建模也是非常不利的。对于这一点，Java还有较大的改进空间，密封类，正式对对象继承的一种重大改进。

首先，来看JDK内部的一个例子：

package java.lang;

abstract class AbstractStringBuilder { ... }
public final class StringBuffer  extends AbstractStringBuilder { ... }
public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder { ... }

AbstractStringBuilder有两个子类StringBuffer和StringBuilder。但是，我们的代码却无法继承AbstractStringBuilder，因为AbstractStringBuilder是包内可见的，并不是public的。在很多场合，我们的对象模式其实并不希望彻底公开，我们有时候仅仅希望只有一些指定的类可以继承，而不是可以任由继承扩展。这就是密封类的设计初衷。

密封类/接口在声明的时候，就可以指定哪些类可以从这里继承，比如：

package com.example.geometry;

public abstract sealed class Shape
    permits Circle, Rectangle, Square { ... }

注意新关键字sealed，它表示被修饰的类或者接口是密封的，紧接着使用permits关键字，指定哪些子类可以继承它，这里只有Circle，Rectangle和Square可以从Shape继承（继承类和密封类必须要在同一个模块，如果在unamed模块，就需要在同一个package）。

使用密封类，还有一些限制，比如：

子类必须是直接继承，而不是间接的
子类必须说明如果处理得到的密封属性，三选一，必选一个：
- 子类标记为final，一了百了
- 子类也作为sealed类，并做有限的继承扩展
- 子类申明为non-sealed，公开使用（这种情况，密封类的初衷就被打破了，继承关系就不可控了）

下面的代码说明了这3种情况：

package com.example.geometry;
//使用final
public final class Circle extends Shape { ... }
//使用sealed
public sealed class Rectangle extends Shape 
    permits TransparentRectangle, FilledRectangle { ... }
public final class TransparentRectangle extends Rectangle { ... }
public final class FilledRectangle extends Rectangle { ... }
//使用non-sealed
public non-sealed class Square extends Shape { ... }