Java 全栈知识体系

Java 17 新特性概述

JDK 17 在 2021 年 9 月 14 号正式发布了！根据发布的规划，这次发布的 JDK 17 是一个长期维护的版本（LTS)。Java 17 提供了数千个性能、稳定性和安全性更新，以及 14 个 JEP（JDK 增强提案），进一步改进了 Java 语言和平台，以帮助开发人员提高工作效率。JDK 17 包括新的语言增强、库更新、对新 Apple (Mx CPU)计算机的支持、旧功能的删除和弃用，并努力确保今天编写的 Java 代码在未来的 JDK 版本中继续工作而不会发生变化。它还提供语言功能预览和孵化 API，以收集 Java 社区的反馈。@pdai

知识体系

语言特性增强

密封的类和接口（正式版）

封闭类可以是封闭类和或者封闭接口，用来增强 Java 编程语言，防止其他类或接口扩展或实现它们。这个特性由Java 15的预览版本晋升为正式版本。

  • 密封的类和接口解释和应用

因为我们引入了sealed class或interfaces，这些class或者interfaces只允许被指定的类或者interface进行扩展和实现。

使用修饰符sealed，您可以将一个类声明为密封类。密封的类使用reserved关键字permits列出可以直接扩展它的类。子类可以是最终的，非密封的或密封的。

之前我们的代码是这样的。

public class Person { } //人
 
class Teacher extends Person { }//教师
 
class Worker extends Person { }  //工人
 
class Student extends Person{ } //学生

但是我们现在要限制 Person类 只能被这三个类继承，不能被其他类继承，需要这么做。

// 添加sealed修饰符，permits后面跟上只能被继承的子类名称
public sealed class Person permits Teacher, Worker, Student{ } //人
 
// 子类可以被修饰为 final
final class Teacher extends Person { }//教师
 
// 子类可以被修饰为 non-sealed，此时 Worker类就成了普通类，谁都可以继承它
non-sealed class Worker extends Person { }  //工人
// 任何类都可以继承Worker
class AnyClass extends Worker{}
 
//子类可以被修饰为 sealed,同上
sealed class Student extends Person permits MiddleSchoolStudent,GraduateStudent{ } //学生
 
 
final class MiddleSchoolStudent extends Student { }  //中学生
 
final class GraduateStudent extends Student { }  //研究生

很强很实用的一个特性，可以限制类的层次结构。

  • 补充：它是由Amber项目孵化而来（会经历两轮以上预览版本）

什么是Amber项目?

Amber 项目的目标是探索和孵化更小的、以生产力为导向的 Java 语言功能，这些功能已被 OpenJDK JEP 流程接受为候选 JEP。本项目由 Compiler Group 赞助。 大多数 Amber 功能在成为 Java 平台的正式部分之前至少要经过两轮预览。对于给定的功能，每轮预览和最终标准化都有单独的 JEP。此页面仅链接到某个功能的最新 JEP。此类 JEP 可能会酌情链接到该功能的早期 JEP。

工具库的更新

JEP 306：恢复始终严格的浮点语义

Java 编程语言和 Java 虚拟机最初只有严格的浮点语义。从 Java 1.2 开始，默认情况下允许在这些严格语义中进行微小的变化，以适应当时硬件架构的限制。这些差异不再有帮助或必要，因此已被 JEP 306 删除。

JEP 356：增强的伪随机数生成器

为伪随机数生成器 (PRNG) 提供新的接口类型和实现。这一变化提高了不同 PRNG 的互操作性，并使得根据需求请求算法变得容易，而不是硬编码特定的实现。简单而言只需要理解如下三个问题： @pdai

JDK 17之前如何生成随机数？

  1. Random 类

典型的使用如下，随机一个int值

// random int
new Random().nextInt();

/**
 * description 获取指定位数的随机数
 *
 * @param length 1
 * @return java.lang.String
 */
public static String getRandomString(int length) {
    String base = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789";
    Random random = new Random();
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        int number = random.nextInt(base.length());
        sb.append(base.charAt(number));
    }
    return sb.toString();
}
  1. ThreadLocalRandom 类

提供线程间独立的随机序列。它只有一个实例，多个线程用到这个实例，也会在线程内部各自更新状态。它同时也是 Random 的子类，不过它几乎把所有 Random 的方法又实现了一遍。

/**
 * nextInt(bound) returns 0 <= value < bound; repeated calls produce at
 * least two distinct results
 */
public void testNextIntBounded() {
    // sample bound space across prime number increments
    for (int bound = 2; bound < MAX_INT_BOUND; bound += 524959) {
        int f = ThreadLocalRandom.current().nextInt(bound);
        assertTrue(0 <= f && f < bound);
        int i = 0;
        int j;
        while (i < NCALLS &&
               (j = ThreadLocalRandom.current().nextInt(bound)) == f) {
            assertTrue(0 <= j && j < bound);
            ++i;
        }
        assertTrue(i < NCALLS);
    }
}
  1. SplittableRandom 类

非线程安全，但可以 fork 的随机序列实现，适用于拆分子任务的场景。

/**
 * Repeated calls to nextLong produce at least two distinct results
 */
public void testNextLong() {
    SplittableRandom sr = new SplittableRandom();
    long f = sr.nextLong();
    int i = 0;
    while (i < NCALLS && sr.nextLong() == f)
        ++i;
    assertTrue(i < NCALLS);
}

为什么需要增强？

  1. 上述几个类实现代码质量和接口抽象不佳
  2. 缺少常见的伪随机算法
  3. 自定义扩展随机数的算法只能自己去实现，缺少统一的接口

增强后是什么样的？

代码的优化自不必说，我们就看下新增了哪些常见的伪随机算法

如何使用这个呢？可以使用RandomGenerator

RandomGenerator g = RandomGenerator.of("L64X128MixRandom");

JEP 382：新的macOS渲染管道

使用 Apple Metal API 为 macOS 实现 Java 2D 管道。新管道将减少 JDK 对已弃用的 Apple OpenGL API 的依赖。

目前默认情况下，这是禁用的，因此渲染仍然使用OpenGL API；要启用metal，应用程序应通过设置系统属性指定其使用：

-Dsun.java2d.metal=true

Metal或OpenGL的使用对应用程序是透明的，因为这是内部实现的区别，对Java API没有影响。Metal管道需要macOS 10.14.x或更高版本。在早期版本上设置它的尝试将被忽略。

新的平台支持

JEP 391：支持macOS AArch64

将 JDK 移植到 macOS/AArch64 平台。该端口将允许 Java 应用程序在新的基于 Arm 64 的 Apple Silicon 计算机上本地运行。

旧功能的删除和弃用

JEP 398：弃用 Applet API

所有网络浏览器供应商要么已取消对 Java 浏览器插件的支持，要么已宣布计划这样做。 Applet API 已于 2017 年 9 月在 Java 9 中弃用，但并未移除。

JEP 407：删除 RMI 激活

删除远程方法调用 (RMI) 激活机制，同时保留 RMI 的其余部分。

JEP 410：删除实验性 AOT 和 JIT 编译器

实验性的基于 Java 的提前 (AOT) 和即时 (JIT) 编译器是实验性功能，并未得到广泛采用。作为可选，它们已经从 JDK 16 中删除。这个 JEP 从 JDK 源代码中删除了这些组件。

JEP 411：弃用安全管理器以进行删除

安全管理器可以追溯到 Java 1.0。多年来，它一直不是保护客户端 Java 代码的主要方法，也很少用于保护服务器端代码。在未来的版本中将其删除将消除重大的维护负担，并使 Java 平台能够向前发展。

新功能的预览和孵化API

JEP 406：新增switch模式匹配（预览版）

允许针对多个模式测试表达式，每个模式都有特定的操作，以便可以简洁安全地表达复杂的面向数据的查询。

JEP 412：外部函数和内存api （第一轮孵化）

改进了 JDK 14 和 JDK 15 中引入的孵化 API，使 Java 程序能够与 Java 运行时之外的代码和数据进行互操作。通过有效地调用外部函数（即 JVM 之外的代码）和安全地访问外部内存，这些 API 使 Java 程序能够调用本地库和处理本地数据，而不会像 Java 本地接口 (JNI) 那样脆弱和复杂。这些 API 正在巴拿马项目中开发，旨在改善 Java 和非 Java 代码之间的交互。

JEP 414：Vector API（第二轮孵化）

如下内容来源于https://xie.infoq.cn/article/8304c894c4e38318d38ceb116，作者是九叔

AVX（Advanced Vector Extensions，高级向量扩展）实际上是 x86-64 处理器上的一套 SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流）指令集，相对于 SISD（Single instruction, Single dat，单指令流但数据流）而言，SIMD 非常适用于 CPU 密集型场景，因为向量计算允许在同一个 CPU 时钟周期内对多组数据批量进行数据运算，执行性能非常高效，甚至从某种程度上来看，向量运算似乎更像是一种并行任务，而非像标量计算那样，在同一个 CPU 时钟周期内仅允许执行一组数据运算，存在严重的执行效率低下问题。

随着 Java16 的正式来临，开发人员可以在程序中使用 Vector API 来实现各种复杂的向量计算，由 JIT 编译器 Server Compiler(C2)在运行期将其编译为对应的底层 AVX 指令执行。当然，在讲解如何使用 Vector API 之前，我们首先来看一个简单的标量计算程序。示例：

void scalarComputation() {
    var a = new float[10000000];
    var b = new float[10000000];
    // 省略数组a和b的赋值操作
    var c = new float[10000000];
    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
        c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
    }
}

在上述程序示例中，循环体内每次只能执行一组浮点运算，总共需要执行约 1000 万次才能够获得最终的运算结果，可想而知，这样的执行效率必然低效。值得庆幸的是，从 Java6 的时代开始，Java 的设计者们就在 HotSpot 虚拟机中引入了一种被称之为 SuperWord 的自动向量优化算法，该算法缺省会将循环体内的标量计算自动优化为向量计算，以此来提升数据运算时的执行效率。当然，我们可以通过虚拟机参数-XX:-UseSuperWord来显式关闭这项优化（从实际测试结果来看，如果不开启自动向量优化，存在约 20%~22%之间的性能下降）。

在此大家需要注意，尽管 HotSpot 缺省支持自动向量优化，但局限性仍然非常明显，首先，JIT 编译器 Server Compiler(C2)仅仅只会对循环体内的代码块做向量优化，并且这样的优化也是极不可靠的；其次，对于一些复杂的向量运算，SuperWord 则显得无能为力。因此，在一些特定场景下（比如：机器学习，线性代数，密码学等），建议大家还是尽可能使用 Java16 为大家提供的 Vector API 来实现复杂的向量计算。示例：

// 定义256bit的向量浮点运算
static final VectorSpecies<Float> SPECIES = FloatVector.SPECIES_256;
void vectorComputation(float[] a, float[] b, float[] c) {
    var i = 0;
    var upperBound = SPECIES.loopBound(a.length);
    for (; i < upperBound; i += SPECIES.length()) {
        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;
    }
}

值得注意的是，Vector API 包含在 jdk.incubator.vector 模块中，程序中如果需要使用 Vector API 则需要在 module-info.java 文件中引入该模块。：

module java16.test{
    requires jdk.incubator.vector;
}

JEP 389：外部链接器 API（孵化器）

该孵化器 API 提供了静态类型、纯 Java 访问原生代码的特性，该 API 将大大简化绑定原生库的原本复杂且容易出错的过程。Java 1.1 就已通过 Java 原生接口（JNI）支持了原生方法调用，但并不好用。Java 开发人员应该能够为特定任务绑定特定的原生库。它还提供了外来函数支持，而无需任何中间的 JNI 粘合代码。

JEP 393：外部存储器访问 API（第三次孵化）

在 Java 14 和 Java 15 中作为孵化器 API 引入的这个 API 使 Java 程序能够安全有效地对各种外部存储器（例如本机存储器、持久性存储器、托管堆存储器等）进行操作。它提供了外部链接器 API 的基础。

如下内容来源于https://xie.infoq.cn/article/8304c894c4e38318d38ceb116，作者是九叔

在实际的开发过程中，绝大多数的开发人员基本都不会直接与堆外内存打交道，但这并不代表你从未接触过堆外内存，像大家经常使用的诸如：RocketMQ、MapDB 等中间件产品底层实现都是基于堆外存储的，换句话说，我们几乎每天都在间接与堆外内存打交道。那么究竟为什么需要使用到堆外内存呢？简单来说，主要是出于以下 3 个方面的考虑：

  • 减少 GC 次数和降低 Stop-the-world 时间；
  • 可以扩展和使用更大的内存空间；
  • 可以省去物理内存和堆内存之间的数据复制步骤。

在 Java14 之前，如果开发人员想要操作堆外内存，通常的做法就是使用 ByteBuffer 或者 Unsafe，甚至是 JNI 等方式，但无论使用哪一种方式，均无法同时有效解决安全性和高效性等 2 个问题，并且，堆外内存的释放也是一个令人头痛的问题。以 DirectByteBuffer 为例，该对象仅仅只是一个引用，其背后还关联着一大段堆外内存，由于 DirectByteBuffer 对象实例仍然是存储在堆空间内，只有当 DirectByteBuffer 对象被 GC 回收时，其背后的堆外内存才会被进一步释放。

在此大家需要注意，程序中通过 ByteBuffer.allocateDirect()方法来申请物理内存资源所耗费的成本远远高于直接在 on-heap 中的操作，而且实际开发过程中还需要考虑数据结构如何设计、序列化/反序列化如何支撑等诸多难题，所以与其使用语法层面的 API 倒不如直接使用 MapDB 等开源产品来得更实惠。

如今，在堆外内存领域，我们似乎又多了一个选择，从 Java14 开始，Java 的设计者们在语法层面为大家带来了崭新的 Memory Access API，极大程度上简化了开发难度，并得以有效的解决了安全性和高效性等 2 个核心问题。示例：

// 获取内存访问var句柄
var handle = MemoryHandles.varHandle(char.class,
        ByteOrder.nativeOrder());
// 申请200字节的堆外内存
try (MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(200)) {
    for (int i = 0; i < 25; i++) {
        handle.set(segment, i << 2, (char) (i + 1 + 64));
        System.out.println(handle.get(segment, i << 2));
    }
}

关于堆外内存段的释放，Memory Access API 提供有显式和隐式 2 种方式，开发人员除了可以在程序中通过 MemorySegment 的 close()方法来显式释放所申请的内存资源外，还可以注册 Cleaner 清理器来实现资源的隐式释放，后者会在 GC 确定目标内存段不再可访问时，释放与之关联的堆外内存资源。

参考文章

  • https://www.oracle.com/news/announcement/oracle-releases-java-17-2021-09-14/

  • https://openjdk.java.net/projects/amber/

  • https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/docs/api/java.base/java/util/random/package-summary.html

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