Java 21 - 并发模型的跃迁

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Java 21 于 2023 年 9 月 19 日 GA，是继 Java 17 之后的 LTS 版本，按 Oracle 的支持路线图获得长期支持。它的核心主题是并发模型的跃迁：虚拟线程成为正式特性，让"一请求一线程"的阻塞式写法重新可行；记录模式与 switch 模式匹配在语言层面定型，与 Java 17 的 sealed、record 汇合成完整的数据导向编程范式。需要澄清的是：String Templates、Scoped Values、Structured Concurrency、Unnamed Classes 在 Java 21 中均为预览特性，不属于永久语言特性，生产使用需 --enable-preview 并评估后续版本的演进。

虚拟线程

虚拟线程（JEP 444，正式特性）是 JVM 托管的轻量级线程，由调度器挂载到载体平台线程上运行。遇到阻塞 I/O 时，虚拟线程自动让出载体线程，阻塞成本从"占用一个 OS 线程"降为"一次栈帧切换"，单机可轻松支撑百万级并发任务。

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
  for (int i = 1; i <= 100; i++) {
    int id = i;
    executor.submit(() -> {
      var body = fetch("https://example.com/api/" + id);
      System.out.println(id + ": " + body.length());
    });
  }
}

// 阻塞 I/O：虚拟线程自动让出载体线程
String fetch(String url) throws Exception {
  var in = new URI(url).toURL().openStream();
  try (in) {
    return new String(in.readAllBytes(), StandardCharsets.UTF_8);
  }
}

使用要点：虚拟线程适合阻塞式 I/O 密集任务，CPU 密集任务仍用平台线程池；避免在虚拟线程中长期持有 synchronized 锁（Java 24 的 JEP 491 才消除其钉住问题），改用 ReentrantLock；不要池化虚拟线程，直接每任务创建。深入实践参见虚拟线程专题。

记录模式

记录模式（JEP 440，正式特性）允许 instanceof 与 switch 直接解构 record 的组件，并支持嵌套——一条模式语句即可拆出多层字段。它让 record 从"声明数据的载体"进一步成为"逻辑分支的依据"。

record Point(int x, int y) {}
record Line(Point start, Point end) {}

// 嵌套解构：一次模式匹配拆出两层字段
static int manhattan(Object value) {
  if (value instanceof Line(
      Point(var x1, var y1), Point(var x2, var y2))) {
    return Math.abs(x2 - x1) + Math.abs(y2 - y1);
  }
  return 0;
}

模式变量（如 x1、y1）在匹配成功后自动可用，替代了传统的"instanceof 判断 + 强制转型 + 逐字段取值"样板。嵌套解构是 Java 21 的关键增量：Line(Point(...), Point(...)) 在一条模式中同时匹配外层与内层。

switch 模式匹配

switch 模式匹配（JEP 441，正式特性）让 case 支持类型模式与记录模式，且当 switch 目标是 sealed 层级时编译器可做穷尽性检查——分支覆盖所有许可子类即可省略 default，新增子类时编译期立即报错。

sealed interface Shape permits Circle, Square {}
record Circle(double radius) implements Shape {}
record Square(double side) implements Shape {}

// sealed 层级：穷尽性由编译器保证，无需 default
static double area(Shape shape) {
  return switch (shape) {
    case Circle(double r) -> Math.PI * r * r;
    case Square(double s) -> s * s;
  };
}

case null 分支可直接处理空值而不再抛出 NullPointerException；case Circle c when c.radius() > 100 这类带条件的守卫分支也是同一语法的自然组成。配合 sealed 类型，"封闭集合 + 分支穷尽"构成了类型安全的数据处理闭环。

有序集合

有序集合（JEP 431，正式特性）为"具有确定遍历顺序"的集合补齐了统一 API：SequencedCollection 及其变体提供 getFirst()、getLast()、reversed()、addFirst()、addLast()。此前获取 List 末元素要写 list.get(list.size() - 1)，LinkedHashSet 两端访问更是没有标准途径。

List<String> list = new ArrayList<>(List.of("a", "b", "c"));

list.getFirst();   // "a"，替代 list.get(0)
list.getLast();    // "c"，替代 list.get(list.size() - 1)
list.reversed();   // [c, b, a] 的逆序视图，不复制

// LinkedHashSet 同样获得两端访问
var set = new LinkedHashSet<>(List.of("x", "y"));
set.getFirst();    // "x"
set.getLast();     // "y"

// Deque 的旧方法映射为统一接口
Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>(List.of(1, 2, 3));
deque.getFirst();  // 1

reversed() 返回逆序视图，对底层集合的修改会同步反映。迁移时注意接口层面的影响：自定义集合类若实现 List，会间接继承新的 default 方法，覆盖它们以保持语义一致。

外部函数与内存 API（预览）

外部函数与内存 API（FFM，JEP 443）在 Java 21 处于第三次预览，需 --enable-preview 编译运行。它以 MemorySegment、Arena、Linker 替代 JNI 与 sun.misc.Unsafe：堆外内存分配有确定的生命周期（Arena 关闭即释放），访问受边界检查保护。

// 编译运行：java --enable-preview --source 21 FfmDemo.java
try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
  MemorySegment segment = arena.allocate(8);
  segment.set(ValueLayout.JAVA_INT, 0, 42);
  int value = segment.get(ValueLayout.JAVA_INT, 0);
  System.out.println(value);  // 42
}

# 预览特性需显式开启
java --enable-preview --source 21 FfmDemo.java

Arena 关闭后段不可再访问，取代了 Cleaner 兜底释放的脆弱模式。该 API 直到 Java 22 才定稿，生产依赖需锁定预览语义并跟踪后续版本的签名变化。

分代 ZGC（HotSpot/JDK）

分代 ZGC（JEP 439）是 HotSpot 虚拟机的垃圾回收器实现改进，属于 JDK 发行版的运行时能力，而非 Java SE 语言或 API 保证。ZGC 引入分代假设——多数对象朝生夕死，为年轻代单独回收后，吞吐与内存占用同时改善，且保持亚毫秒级停顿的目标不变。

# 启用分代 ZGC
java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational App

# Java 23 起分代模式成为 ZGC 默认，标志被移除
java -XX:+UseZGC App

适用于大堆、低延迟的服务端负载。是否可用取决于具体 JDK 发行版与 GC 选择，不应写入依赖 Java SE 规范的代码假设。

常用特性总结

• 虚拟线程：Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 处理阻塞 I/O 高并发，不池化、避免长持 synchronized。
• 记录模式：instanceof Line(Point(var x1, var y1), ...) 嵌套解构，消除强制转型样板。
• switch 模式匹配：sealed 层级上的类型模式分支，编译器保证穷尽性，支持 null 分支与守卫条件。
• 有序集合：getFirst()、getLast()、reversed() 统一有序集合两端访问。
• FFM API（预览）：Arena + MemorySegment 管理 Java 堆外内存，需 --enable-preview。
• 分代 ZGC（HotSpot/JDK）：-XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational 获得分代低延迟回收。

迁移与兼容性

从 Java 17 升级到 Java 21 通常平稳：语言与 API 变化以新增为主，默认字符集等破坏性调整已在 Java 18 完成。重点检查项：升级前确认第三方库与框架（尤其 Spring、Netty 系）声明支持 Java 21；synchronized 长期持锁的代码迁入虚拟线程前先改 ReentrantLock；实现自定义集合类时审计新增的 SequencedCollection default 方法；不建议在模块路径上携带依赖 FFM 预览签名的库，其 API 在 Java 22 后有变动。生产采用预览特性前必须接受后续版本可能不兼容的成本，String Templates 甚至在 Java 23 被移除重设计——这是"预览不等于最终特性"的直接例证。

参考资料

• Oracle Java SE Support Roadmap
• JDK 21 GA