追随 Kotlin/Scala，看 Java 12-15 的现代语言特性

Posted 2021-04-01 Kotlin

本文原文链接较多，可以点击文末“阅读原文”查看。

Java 14 发布已经过去了三个月，Java 15 目前也已经到了“Rampdown Phase One ”阶段，其新特性均已敲定。由于 12-15 都是短期版本，无需考虑也不应该将其用于生产环境。但可以提前了解新特性，以免在下一个 LTS（Java17）正式发布时毫无心理准备。Java 12-15 引入了一系列改进，本文只讨论语言层面的新特性，它们看起来似曾相识——没错，这些特性让人感觉 Java 在沿 Kotlin/Scala 走过的路线前行。

虽然不能说 Java 就是借鉴的它们（毕竟这些特性既非它们独有也非它们首创），但可以说是 Java 官方对 Kotlin/Scala 这些特性的充分肯定。而这些新特性也让 Java 向现代语言的方向又迈进了一些，我们逐个来看。

switch 表达式

Java 12 预览、Java 13 二次预览、Java 14 正式。

相当于只支持值匹配的 Kotlin when 表达式/Scala match 表达式。

我们看一个不严谨的示例：判断一个非空对象对应哪种 JSON 类型，使用传统的 switch 语句实现如下：

switch (obj.getClass().getSimpleName()) {
 case "Integer":
 case "Long":
 case "Float":
 case "Double":
 System.out.println("number");
 break;
 case "List":
 case "Set":
 System.out.println("array");
 break;
 case "String":
 System.out.println("string");
 break;
 case "Boolean":
 System.out.println("boolean");
 break;
 case "Map":
 System.out.println("object");
 break;
 default:
 System.out.println("object/unknown");
}

而使用 switch 表达式可以简化为：

switch (obj.getClass().getSimpleName()) {
 case "Integer", "Long", "Float", "Double" -> System.out.println("number");
 case "List", "Set" -> System.out.println("array");
 case "String" -> System.out.println("string");
 case "Boolean" -> System.out.println("boolean");
 case "Map" -> System.out.println("object");
 default -> System.out.println("object/unknown");
}

是不是简洁了很多？当然如果只能这样用，那还称不上 switch 表达式，既然是表达式那么一定可以有一个返回值。我们可以利用 switch 表达式的返回值来进一步重构上述代码：

String jsonType = switch (obj.getClass().getSimpleName()) {
 case "Integer", "Long", "Float", "Double" -> "number";
 case "List", "Set" -> "array";
 case "String" -> "string";
 case "Boolean" -> "boolean";
 case "Map" -> "object";
 default -> "object/unknown";
};
System.out.println(jsonType);

switch 表达式中箭头的右侧不仅可以是常规表达式，还可以是一个代码块，在块中通过 yield 来指定返回值。例如在上述 default 分支打一条错误信息，可以这样改：

String javaType = obj.getClass().getSimpleName();
String jsonType = switch (javaType) {
 case "Integer", "Long", "Float", "Double" -> "number";
 case "List", "Set" -> "array";
 case "String" -> "string";
 case "Boolean" -> "boolean";
 case "Map" -> "object";
 default -> {
 System.err.println("unknown type: " + javaType);
 yield "object";
 }
};

是不是有点类似 Kotlin 的 when 与 Scala 的 match 了？非常像，只是目前只支持简单的值匹配，还不支持 Kotlin when 的 is/in 以及 Scala match 的模式匹配。当然如果综合 Java 12-15 引入的所有语言特性来看，不难预见 switch 表达式未来会支持模式匹配的。

switch 表达式的优点不仅是简洁且具有返回值，还避免了传统 switch 语句的一些坑（如忘记写 break 语句，再如各 case/default 子句共享同一个局部作用域）。因此，在 Java 14 及以上版本中，应该尽量采新语法、避免使用传统的 switch 语句。IDEA 甚至会对传统 switch 语句标记警告，并且提供了自动将传统语法重构为新语法的 quick fix 功能。

文本块

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Java 的文本块（多行字符串）语法与 Kotlin 原始字符串/Scala 多行字符串类似，都是采用三重双引号括起，不过具体语法、语义不尽相同。Java 文本块起始的三重双引号后只能跟空白符和换行，因此不能像 Kotlin/Scala 那样写 """hello"""，而必须这样写：

"""
hello"""

Java 会自动去掉第一个换行以及每行末尾的空白，因此上述字符串等同于 "hello"，但是结尾处三重引号前的换行并不会去掉，例如：

// 等同于 "hello"
var s1 = """
 hello""";

// 等同于 "hello"
var s2 = """
 hello """;

// 等同于 "hello\n"
var s3 = """
 hello
 """;

文本块中的少于连续三个的双引号都无需转义，这也是文本块的用途之一，例如：

System.out.println("""
 This is a string literal in Java: "Hello".""");

这段代码会输出 This is a string literal in Java: "Hello".。编译过程中会自动去掉缩进用的空白符，如果存在多行，会以前导空白最少的一行作为基准。

文本块的另一个用途是便于书写预排版的文本，例如 ASCII Art 或者竖排文字：

String ci = "┆蝶┆觀┆月┆池┆遊┆　┆獨┆錢┆古┆來┆端┆\n" +
 "┆自┆音┆老┆畔┆人┆　┆賞┆江┆塔┆客┆陽┆\n" +
 "┆舞┆堂┆祠┆問┆醉┆　┆亦┆西┆聽┆尚┆至┆\n" +
 "┆翩┆外┆前┆奇┆　┆　┆悠┆子┆濤┆流┆　┆\n" +
 "┆躚┆雨┆人┆緣┆　┆　┆然┆匯┆於┆連┆　┆\n" +
 "┆　┆連┆絡┆　┆　┆　┆　┆吳┆越┆　┆　┆\n" +
 "┆　┆綿┆繹┆　┆　┆　┆　┆山┆地┆　┆　┆\n";

这段竖排文本是我几年前写的《雙調憶江南·庚寅年端午遊杭州》[1]，可以看到自动格式化后第一行没有与后续几行对齐，虽然还有变通办法，但是这本身就已经比较复杂了。而如果采用文本块就会简单很多：

String ci = """
 ┆蝶┆觀┆月┆池┆遊┆　┆獨┆錢┆古┆來┆端┆
 ┆自┆音┆老┆畔┆人┆　┆賞┆江┆塔┆客┆陽┆
 ┆舞┆堂┆祠┆問┆醉┆　┆亦┆西┆聽┆尚┆至┆
 ┆翩┆外┆前┆奇┆　┆　┆悠┆子┆濤┆流┆　┆
 ┆躚┆雨┆人┆緣┆　┆　┆然┆匯┆於┆連┆　┆
 ┆　┆連┆絡┆　┆　┆　┆　┆吳┆越┆　┆　┆
 ┆　┆綿┆繹┆　┆　┆　┆　┆山┆地┆　┆　┆
 """;

而既有双引号又有预排版的多行文本就更适合使用文本块了，例如 XML 、JSON 或其他配置/代码文本的字面值：

var languages = "[\n" +
 " {\n" +
 " \"name\": \"kotlin\",\n" +
 " \"type\": \"static\"\n" +
 " },\n" +
 " {\n" +
 " \"name\": \"julia\",\n" +
 " \"type\": \"dynamic\"\n" +
 " }\n" +
 "]";

上述 JSON 字面值看起来很凌乱，而用文本块就会清晰很多：

var languages = """
 [
 {
 "name": "kotlin",
 "type": "static"
 },
 {
 "name": "julia",
 "type": "dynamic"
 }
 ]""";

instanceof 模式匹配

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类似于 Kotlin 的智能转换，但语法不同，在 Scala 中没有直接对应。

传统的 instanceof 判断成功之后仍然需要强制转换才能按相应类型使用，例如：

if (obj instanceof String) {
 System.out.println(((String) obj).length());
}

而使用模式匹配之后，可以在判断成功时绑定为一个对应类型的变量，之后直接使用该变量即可：

if (obj instanceof String s) {
 System.out.println(s.length());
}

需要注意的是，只有成功匹配的分支才能绑定该变量：

if (obj instanceof String s) {
 System.out.println(s.length());
} else {
 // 错误：此处 s 不可用
 // System.out.println(s.length());
}

instanceof 模式匹配不仅能用于 if 语句中，还可以用于 while 语句、三目运算符以及 &&、|| 等能使用布尔逻辑的地方，例如：

int i = obj instanceof String s ? s.length() : -1;
var isEmptyString = obj instanceof String s && s.isEmpty();
var isNotEmptyString = !(obj instanceof String s) || !s.isEmpty();

目前 Java 中只引入了这一种非常简单的模式匹配形式，未来应该会引入更多模式匹配语法。

记录类型

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记录类型（record）类似于 Kotlin 的数据类（data class）与 Scala 的样例类（case class），只是更加严格。

在没有记录类型之前，创建一个具有各字段对应 getter、为所有字段初始化的构造函数、基于所有字段的 equals()/hashCode()/toString() 的简单类却需要写一大堆代码，其中大部分都是样板代码。例如：

class Font {
 private final String name;
 private final int size;

 public Font(String name, int size) {
 this.name = name;
 this.size = size;
 }

 public String name() {
 return name;
 }

 public int size() {
 return size;
 }

 public boolean equals(Object o) {
 if (!(o instanceof Font other)) return false;
 return other.name.equals(name) && other.size == size;
 }

 public int hashCode() {
 return Objects.hash(name, size);
 }

 public String toString() {
 return String.format("Font[name=%s, size=%d]", name, size);
 }
}

上述代码中，除了类名、字段类型与字段名之外，其他的全部都是样板代码。而使用记录只需非常简单的一行代码即可：

record Font(String name, int size) { }

跟一般类相比，记录有以下限制：

• 总是隐式继承自 java.lang.Record 而无法显式继承任何任何类

• 记录隐含了 final 并且不能声明为抽象

• 不能显式声明字段，也不能定义初始化块

• 隐式声明的所有字段均为 final

• 如果显式声明任何会隐式生成的成员，其类型必须严格匹配

• 不能声明 native method（通常译为“本地方法”，按说应该叫“原生方法”）

除了这些限制之外，它与普通类一致：

• 用 new 实例化

• 可以在顶层声明，也可以在类内部、局部作用域中声明

• 可以声明静态方法与实例方法

• 可以声明静态字段与静态初始化块

• 可以实现接口

• 可以有其内部类型

• 可以标注注解

记录类型还可以与接下来提到的密封类/密封接口很好协作，另外记录还适用于未来版本的模式匹配。

密封类与密封接口

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Java 15 引入的密封类（sealed class）类似于 Kotlin/Scala 的密封类、密封接口类似于 Scala 的密封特质（sealed trait）。不妨将二者统称为密封类型，与普通类/接口不同的是，密封类型限定了哪些类/接口作为其直接子类型。例如：

sealed interface JvmLanguage
 permits DynamicTypedJvmLanguage, StaticTypedJvmLanguage {}

sealed interface StaticTypedJvmLanguage extends JvmLanguage {}
sealed class DynamicTypedJvmLanguage implements JvmLanguage
 permits Clojure, JvmScriptLanguage {}

final class Java implements StaticTypedJvmLanguage {}
final class Scala implements StaticTypedJvmLanguage {}
final class Kotlin implements StaticTypedJvmLanguage {}

final class Clojure extends DynamicTypedJvmLanguage {}
non-sealed abstract class JvmScriptLanguage extends DynamicTypedJvmLanguage {}

class Groovy extends JvmScriptLanguage {}

在密封类型的声明中可以通过 permits 显式声明其直接子类型列表，也可以省略——编译器会根据当前文件中的直接子类型的声明推断出来。一个密封类型的直接子类型必须标注 sealed、non-sealed、final 三者之一。

密封类型与记录是相互独立的功能，但是二者能够很好协作，例如：

sealed interface Json {}
record NullVal() implements Json {}
record BooleanVal(boolean val) implements Json {}
record NumberVal(double val) implements Json {}
record StringVal(String val) implements Json {}
record ArrayVal(Object...vals) implements Json {}
record ObjectVal(Map<String, Object> kvs) implements Json {}

此外，还可以用记录与密封类型来实现代数数据类型（ADT）：记录为积类型、密封类型为和类型。与记录类似，密封类型也将适用于未来版本的模式匹配。

小结

Java 12-15 引入了 switch 表达式、文本块、instanceof 模式匹配、记录、密封类型这几个语言新特性，这些特性在 Kotlin/Scala 中基本上都有对应，如同 Java 在追随 Kotlin/Scala 的步伐。

另外，不知大家有没有注意到这一点：除了文本块外，其他几个特性都直接或间接指向了同一个关键词——模式匹配。这些特性除了自身价值之外，也都在为未来版本的模式匹配做铺垫。因此不妨做个大胆预测：在未来的几个版本中，Java 会引入更完善的模式匹配机制。

些许遗憾

Java 12-15 中引入语言层面的新特性并不很多，很多令人期待新特性都没有包含在内。当然语言需要渐进式演化，这也是情理之中的事。唯有两点我觉得有些遗憾：

空安全

，隔壁 C# 8 引入空安全的经验告诉我们： 即便语言当初做了错误的设计，假如迷途知返，仍然能够回到正轨。Java会不会也有这么一天？也许会，不过 Java 12-15 显然没有，在接下来的几个版本中这么做可能性也很渺茫，也许还会在“迷途”中继续前行很久。

当然关于空安全这块也不是什么长进都没有，Java 14 就有一处：JEP 358: Helpful NullPointerExceptions 改善了 NullPointerException 所携带的信息，以便定位是哪个变量出现空值导致的。

协程

协程即将成为现代工业级语言的标配，不仅 Python、javascript、Rust 等语言纷纷引入了协程支持（async-await 尤为便利），就连隔壁 C++ 也都已将协程纳入了今年的新标准（C++ 20）中。再对比灵活、强大的 Kotlin 协程在异步程序设计中所带来的便利，还在坚守 Java 的开发者对协程的期待就不难理解了。遗憾的是，Project Loom 未能合入 Java 15，那么按照其他特性的演进周期来看，在下一个 LTS（即 Java 17）发布时就算包含进来也不会是稳定特性。

当然，目前 JVM 平台的 5 门主流工业级语言（Java、Kotlin、Scala、Groovy、Clojure）中，只有 Kotlin 具备上述两个特性，欢迎来 Kotlin 中文站学习。

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[1] 雙調憶江南·庚寅年端午遊杭州：https://hltj.me/poetry/2012/04/05/yijiangnan-hangzhou2.html

© 2020 灰蓝天际  

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