Java 17 新特性详解提升开发效率的关键功能

Java 17 是 Oracle 发布的长期支持（LTS）版本，带来了多个新特性和改进，不仅提升了性能和安全性，还为开发者提供了新的语言功能和API。这些变化能大大提升开发效率，尤其对于那些已经使用 Java 8 或更高版本的开发者而言，掌握这些新特性尤为重要。本篇文章将深入分析 Java 17 的关键新特性，并通过代码实例帮助开发者更好地理解和应用这些特性。

1. 封装 JDK 内部 API（JEP 396）

1.1 背景与目标

在早期的 Java 版本中，开发者可以通过反射等方式访问 JDK 的内部 API，这些 API 并没有明确的文档和规范，因此可能导致不可预测的错误和安全隐患。Java 17 引入了 JEP 396，旨在封装这些内部 API，防止它们被滥用，同时也提高了安全性和稳定性。

1.2 代码实例

Java 17 强制开发者避免访问 JDK 内部 API。例如，使用 sun.misc.Unsafe 类就会导致编译错误：

import sun.misc.Unsafe; // 在 Java 17 中，编译会失败

public class UnsafeExample {
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        System.out.println("Unsafe object created.");
    }
}

如果你试图编译上述代码，Java 编译器会抛出错误，提示该类无法访问。为了避免这类问题，开发者应使用官方公开的 API。

2. 模式匹配（JEP 406）

2.1 简介

Java 17 引入了模式匹配的概念，进一步简化了 instanceof 操作符的使用。以前，当使用 instanceof 时，通常需要进行类型转换，但 Java 17 可以自动完成类型转换，减少了样板代码，提升了代码的可读性。

2.2 代码实例

在 Java 17 中，instanceof 的语法变得更加简洁。以下是一个例子：

public class PatternMatchingExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = "Hello, Java 17!";  // 一个字符串对象
        
        // 使用新的模式匹配语法
        if (obj instanceof String str) {
            System.out.println("String length: " + str.length());
        } else {
            System.out.println("Not a string");
        }
    }
}

在这个例子中，instanceof 不仅判断了 obj 是否为 String 类型，还自动将其转换为 String 类型，并赋值给变量 str。这种改进简化了代码，提高了代码的清晰度。

3. 强封装 JDK 类库（JEP 403）

3.1 背景

Java 一直以来都通过开放的模块化方式（Jigsaw）为开发者提供了访问 JDK 类库的能力，但这也带来了安全和性能隐患。Java 17 强化了 JDK 类库的封装性，通过进一步的封装和限制访问，确保系统的安全性。

3.2 代码实例

开发者如果尝试访问 JDK 的某些类库，可能会遇到 IllegalAccessError 错误。例如，尝试通过 -addmods 强制访问封装的模块时，可能会出现以下问题：

public class JDKAccessExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 强制访问受限制的模块会导致异常
        // IllegalAccessError 在此会被抛出
        java.security.Security security = new java.security.Security();
    }
}

Java 17 通过 JEP 403 强化了模块访问控制，开发者需要确保使用 Java 提供的公有 API，而不是尝试访问内部类库。

4. 不可变集合（JEP 412）

4.1 背景

Java 17 提供了新的 API 来简化不可变集合的创建，开发者可以更方便地创建不可变的集合对象，避免因共享数据结构导致的并发问题。

4.2 代码实例

Java 17 引入了 List.of(), Set.of(), 和 Map.of() 等方法，开发者可以使用这些方法方便地创建不可变集合：

import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.Map;

public class ImmutableCollectionsExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建不可变集合
        List<String> list = List.of("Apple", "Banana", "Cherry");
        Set<Integer> set = Set.of(1, 2, 3, 4);
        Map<String, Integer> map = Map.of("One", 1, "Two", 2);

        // 尝试修改集合会抛出 UnsupportedOperationException
        // list.add("Grapes"); // 运行时会抛出异常

        // 打印不可变集合
        System.out.println("List: " + list);
        System.out.println("Set: " + set);
        System.out.println("Map: " + map);
    }
}

这使得开发者可以轻松创建不可变集合，提高代码的安全性和可维护性。

5. 新 JDK 工具：jpackage

5.1 简介

Java 17 引入了新的 jpackage 工具，允许开发者打包 Java 应用为本地平台的可执行文件，如 .exe（Windows）或 .dmg（macOS）。这一功能极大地提升了 Java 应用的部署体验，特别是对于需要跨平台分发的 Java 应用。

5.2 代码实例

使用 jpackage 创建本地安装包的命令行示例如下：

jpackage --type exe --input /path/to/classes --name MyApp --main-class com.example.Main

这条命令会将 Java 应用打包成 .exe 文件，开发者可以方便地分发给最终用户，而不需要他们事先安装 Java 环境。

6. JVM 性能与安全性改进

6.1 性能提升

Java 17 在 JVM 性能方面进行了许多优化，特别是在垃圾回收（GC）和内存管理方面。通过使用新的 GC 算法和内存分配策略，Java 17 提高了应用的性能和响应速度，尤其在处理大规模数据时表现更为突出。

6.2 安全性改进

Java 17 加强了对加密和认证的支持，特别是在 SSL/TLS 协议的实现方面。它更新了默认的加密算法和协议，提供了更加安全的数据传输。

7. JVM 新特性：ZGC和Shenandoah改进（JEP 376, JEP 382）

7.1 ZGC（Z Garbage Collector）改进

ZGC 是一种低延迟垃圾回收器，旨在减少垃圾回收（GC）暂停时间。在 Java 17 中，ZGC 进行了重要的改进，特别是在性能和内存使用方面。它支持在较小的堆内存和更大内存规模下都能高效运行，适用于低延迟和大规模系统。

7.2 Shenandoah GC

Shenandoah 是一个旨在减少垃圾回收暂停时间的低延迟垃圾回收器。Java 17 中进一步优化了 Shenandoah GC，改进了并行性和吞吐量，特别是处理大规模并发应用时。

7.3 代码示例：使用 ZGC 和 Shenandoah

在 Java 17 中，可以通过指定 JVM 参数来启用 ZGC 或 Shenandoah：

• 启用 ZGC：

  java -XX:+UseZGC -jar myapp.jar
  

• 启用 Shenandoah：

  java -XX:+UseShenandoahGC -jar myapp.jar
  

这些垃圾回收器在进行大规模系统部署时，可以大大减少因 GC 导致的停顿时间，适用于高并发、低延迟要求的场景。

8. 增强的安全性：JEP 411、JEP 415 和 JEP 424

8.1 JEP 411：禁止访问敏感的安全文件

Java 17 进一步强化了对敏感文件的访问控制，禁止未授权访问系统文件或加密文件。特别是对于基于文件的加密算法和证书，Java 17 提供了更严格的文件系统访问限制，增强了整体的安全性。

8.2 JEP 415：密钥和证书管理的改进

JEP 415 进一步增强了 Java 在密钥和证书管理方面的功能，提供了更安全、更高效的 API 来进行密钥库操作和证书管理。Java 17 为应用开发者提供了更强的加密支持，并允许对密钥和证书的管理进行更细粒度的控制。

8.3 JEP 424：新加密标准的支持

随着互联网安全形势的发展，Java 17 对最新的加密算法和协议提供了更好的支持。JEP 424 让 Java 17 默认支持更为先进的加密算法和协议，提高了加密操作的效率与安全性。

8.4 代码示例：使用 JEP 415 API 管理密钥库

import java.security.KeyStore;
import java.security.KeyStoreException;
import java.security.cert.Certificate;
import java.security.PrivateKey;

public class KeyStoreExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
        keyStore.load(null, null); // 加载密钥库
        
        // 假设已经将证书和私钥存储在密钥库中
        Certificate cert = keyStore.getCertificate("myCertificate");
        PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyStore.getKey("myPrivateKey", null);

        System.out.println("Certificate: " + cert);
        System.out.println("Private Key: " + privateKey);
    }
}

这个例子展示了如何使用 Java 17 提供的 KeyStore API 来管理密钥和证书。通过 JEP 415，Java 17 提供了更加安全和高效的密钥管理方法。

9. 新的 API 支持：JEP 382 和 JEP 403

9.1 JEP 382：新的 Unix Domain Socket API

JEP 382 引入了对 Unix 域套接字的支持，使得开发者可以通过 Java 应用直接进行 Unix 套接字通信。Unix 域套接字通常用于在同一机器上的不同进程间进行高效的通信，是网络编程中的一种常用技术。

9.2 JEP 403：增强的模块系统

Java 17 引入了更多的模块系统改进，允许开发者更加灵活地控制应用的模块化结构。JEP 403 加强了对类加载器和模块访问控制的支持，为开发者提供了更加安全、可定制化的开发环境。

9.3 代码示例：使用 Unix Domain Socket

import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.file.Paths;

public class UnixDomainSocketExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建Unix Domain Socket
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        SocketAddress socketAddress = Paths.get("/tmp/mySocket.sock").toAbsolutePath();
        socketChannel.connect(socketAddress);
        
        // 通过socket通信
        System.out.println("Connected to Unix Domain Socket: " + socketChannel.getRemoteAddress());
    }
}

在此代码示例中，我们展示了如何使用 Java 17 的新的 Unix Domain Socket API 来建立本地进程间的高效通信。

10. 新增的 sealed 类和接口（JEP 409）

10.1 介绍

Java 17 中的 sealed 类和接口允许开发者限制哪些类可以继承或实现它们。这对于确保代码的可维护性和可扩展性非常有帮助，尤其在处理复杂的继承体系时，可以避免一些不可预见的继承结构。

10.2 代码示例：使用 sealed 类

// 定义一个sealed类
public sealed class Shape permits Circle, Rectangle {
    public abstract double area();
}

// 允许继承Shape类的具体实现
public final class Circle extends Shape {
    private final double radius;

    public Circle(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    public double area() {
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

public final class Rectangle extends Shape {
    private final double length;
    private final double width;

    public Rectangle(double length, double width) {
        this.length = length;
        this.width = width;
    }

    @Override
    public double area() {
        return length * width;
    }
}

在这个示例中，Shape 类是一个 sealed 类，它只允许 Circle 和 Rectangle 继承。这种限制可以确保继承体系是可控的，避免无意中扩展。

11. 进一步的 JVM 优化：JEP 391

11.1 JEP 391：Windows/AArch64 支持

Java 17 引入了对 Windows/AArch64 的支持，特别是通过增强的 Windows ARM 支持，Java 17 使得开发者能够在基于 ARM 架构的 Windows 系统上运行 Java 应用程序。随着 ARM 架构的普及，Java 对 AArch64 架构的支持将对开发者特别有利。

11.2 代码示例

开发者无需做额外的配置，只需确保 JDK 为 Windows/AArch64 版本即可，Java 17 将自动适应 ARM 架构。

12. 小结

Java 17 为开发者带来了众多新特性和增强功能，涵盖了从性能优化、安全性提升到开发效率增强的各个方面。通过封装 JDK 内部 API、引入模式匹配、改进垃圾回收机制、提供新的 API 和模块系统，Java 17 不仅增强了开发体验，还为生产环境中的性能优化和安全性提供了更好的保障。