java9新特性详解与实践

java版本越来越高，但是由于很多历史原因，公司还是使用了java8，但是作为程序员还是要接触java的新特性，基于这点打算梳理一下每一期java的新特性，用于自我记录。重点详解模块系统和 JShell 工具，并简要介绍其他几个核心新特性，包括集合工厂方法、Stream API 增强、接口私有方法和 Optional 类增强。

1. 模块系统 (Project Jigsaw)

Java 9 最重要的变化是引入了模块系统，这是 Java 平台自诞生以来最重大的架构变革之一。

1.1 为什么需要模块系统？

在 Java 9 之前，Java 应用程序主要依赖于 monolithic（单体）的 JDK/JRE 和庞大的 classpath 机制，这带来了一系列问题：

JAR 地狱：无法有效处理依赖冲突
封装性弱：无法真正隐藏内部 API
应用程序过大：无法只选择需要的 JDK 部分
启动性能：需要扫描整个 classpath 上的所有类
安全风险：内部 API 的意外暴露

1.2 模块系统的核心概念

1.2.1 什么是模块？

模块（Module）是一个命名的、自描述的代码和数据集合。它包含：

名称：全局唯一的模块标识符
依赖关系：明确声明对其他模块的依赖
公共 API：显式声明对外暴露的包
服务：可提供和消费的服务
资源：模块中包含的非代码资源

1.2.2 模块系统的核心特性

强封装：不仅隐藏类，还隐藏包；默认情况下，模块中的所有包都是模块私有的
可靠配置：编译时和运行时都会验证模块依赖关系
模块化 JDK：Java 平台本身被拆分为 94 个模块，形成模块图结构
更好的平台完整性：强化内部 API 的隐藏（限制对 sun.*等内部 API 的访问）
自定义运行时：通过 jlink 工具创建包含所需模块的定制运行时

1.3 模块描述符详解

模块系统的核心是module-info.java文件，它定义了模块的所有特性。

java 复制代码

module com.example.myapp {
    // 导出包，使其可被其他模块访问
    exports com.example.myapp.api;

    // 有条件地导出包，只对特定模块开放
    exports com.example.myapp.internal to com.example.plugin;

    // 声明依赖的其他模块
    requires java.base; // 所有模块默认依赖java.base
    requires java.logging;

    // 声明传递依赖（可被依赖此模块的模块看到）
    requires transitive java.sql;

    // 声明使用的服务
    uses com.example.service.MyService;

    // 声明提供的服务实现
    provides com.example.service.MyService
        with com.example.myapp.service.MyServiceImpl;

    // 允许反射访问
    opens com.example.myapp.reflect;

    // 有条件地允许反射访问
    opens com.example.myapp.annotation to java.annotation;
}

1.4 实际模块化应用开发示例

下面是一个完整的模块化应用程序示例，包含多个模块：

1.4.1 项目结构

bash 复制代码

my-modular-app/
├── src/
│   ├── com.app.main/              # 主应用模块
│   │   ├── module-info.java
│   │   └── com/app/main/
│   │       └── Main.java
│   │
│   ├── com.app.service/           # 服务API模块
│   │   ├── module-info.java
│   │   └── com/app/service/
│   │       └── GreetingService.java
│   │
│   └── com.app.service.impl/      # 服务实现模块
│       ├── module-info.java
│       └── com/app/service/impl/
│           └── GreetingServiceImpl.java

1.4.2 模块定义

服务 API 模块 (com.app.service/module-info.java) :

java 复制代码

module com.app.service {
    exports com.app.service;
}

服务实现模块 (com.app.service.impl/module-info.java) :

arduino 复制代码

module com.app.service.impl {
    requires com.app.service;
    provides com.app.service.GreetingService
        with com.app.service.impl.GreetingServiceImpl;
}

主应用模块 (com.app.main/module-info.java) :

arduino 复制代码

module com.app.main {
    requires com.app.service;
    uses com.app.service.GreetingService;
}

1.4.3 服务接口和实现

GreetingService.java:

csharp 复制代码

package com.app.service;

public interface GreetingService {
    String getGreeting();
}

GreetingServiceImpl.java:

typescript 复制代码

package com.app.service.impl;

import com.app.service.GreetingService;

public class GreetingServiceImpl implements GreetingService {
    @Override
    public String getGreeting() {
        return "Hello from Modular Java 9!";
    }
}

Main.java:

arduino 复制代码

package com.app.main;

import com.app.service.GreetingService;
import java.util.ServiceLoader;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用ServiceLoader加载服务实现
        ServiceLoader<GreetingService> services = ServiceLoader.load(GreetingService.class);

        // 获取服务实现并调用
        services.findFirst().ifPresent(service ->
            System.out.println(service.getGreeting())
        );
    }
}

1.4.4 编译与运行

bash 复制代码

# 编译服务API模块
javac -d mods/com.app.service src/com.app.service/module-info.java src/com.app.service/com/app/service/GreetingService.java

# 编译服务实现模块
javac --module-path mods -d mods/com.app.service.impl src/com.app.service.impl/module-info.java src/com.app.service.impl/com/app/service/impl/GreetingServiceImpl.java

# 编译主应用模块
javac --module-path mods -d mods/com.app.main src/com.app.main/module-info.java src/com.app.main/com/app/main/Main.java

# 运行应用
java --module-path mods -m com.app.main/com.app.main.Main

1.5 使用 jlink 创建自定义运行时镜像

Java 9 引入了 jlink 工具，可以创建包含应用所需模块的定制运行时镜像，大大减小应用分发大小：

bash 复制代码

# 创建包含所需模块的自定义运行时
jlink --module-path mods:$JAVA_HOME/jmods --add-modules com.app.main,com.app.service,com.app.service.impl --output custom-runtime

# 使用自定义运行时运行应用
custom-runtime/bin/java -m com.app.main/com.app.main.Main

这个自定义运行时只包含应用程序所需的模块，大小可能只有完整 JRE 的一小部分，特别适合容器化部署或资源受限环境。

1.6 模块系统的实际应用场景

微服务架构：每个服务作为独立模块，明确 API 边界
IoT 设备：创建最小运行时，减少资源消耗
企业应用：改进大型代码库的组织和维护
框架和库开发：明确公共 API 与内部实现的边界
插件架构：使用服务加载器实现松耦合扩展

1.7 模块系统的优势与挑战

优势：

提高应用程序性能和安全性
减小运行时大小（通过自定义运行时）
提高代码的可维护性和可伸缩性
更好的依赖管理和版本控制
实现真正的封装

挑战：

与现有非模块化代码的兼容性
学习曲线和迁移成本
某些工具和框架的适配问题
反射操作的复杂性增加

2. 集合工厂方法

Java 9 简化了不可变集合的创建方式，引入了便捷的工厂方法。

2.1 新的工厂方法

List.of()
Set.of()
Map.of()和Map.ofEntries()

2.2 实践示例

ini 复制代码

// Java 9
List<String> languages = List.of("Java", "Python", "Go");
Set<Integer> numbers = Set.of(1, 2, 3, 4, 5);
Map<String, Integer> scores = Map.of("Alice", 95, "Bob", 88);

3. Stream API 增强

Java 8 引入的 Stream API 在 Java 9 中得到了进一步增强。

3.1 新增方法

takeWhile()：依次获取满足条件的元素
dropWhile()：依次丢弃满足条件的元素
ofNullable()：处理可能为 null 的情况
iterate()：支持终止条件的迭代器

4. 接口私有方法

Java 9 允许在接口中定义私有方法，增强了代码复用性。

typescript 复制代码

public interface Logger {
    void log(String message);

    default void logInfo(String message) {
        log(addSeverity("INFO", message));
    }

    // 私有辅助方法
    private String addSeverity(String severity, String message) {
        return "[" + severity + "] " + message;
    }
}

5. JShell - 交互式 Java 编程环境详解

JShell 是 Java 9 引入的一个革命性工具，它为 Java 语言增加了 REPL（Read-Eval-Print Loop）能力，使得 Java 能像脚本语言一样交互式执行代码。这为学习、教学、探索 API 和原型设计带来了革命性变化。

5.1 JShell 的核心功能

代码片段执行：无需类定义和 main 方法
实时语法检查：编写过程中实时提供反馈
自动导入：常用包自动导入（java.lang.*, java.util.*等）
变量和方法定义：定义临时变量和方法
类型推断：自动推断变量类型（var 类似）
代码补全：按 Tab 键自动补全代码
历史记录：记住之前输入的代码并允许重用
代码片段重做：修改和重新评估之前的片段

5.2 启动和基本设置

启动 JShell 有多种方式：

ini 复制代码

# 基本启动
jshell

# 启动时导入额外包
jshell --add-modules=<模块名称>

# 使用特定版本的Java
JAVA_HOME=/path/to/java9 jshell

# 启动时执行脚本
jshell <script-file-name>.jsh

自定义设置和首选项：

shell 复制代码

jshell> /set feedback verbose    # 设置详细反馈模式
jshell> /set mode normal         # 设置标准反馈模式
jshell> /set editor vim          # 设置外部编辑器

5.3 JShell 命令全解析

JShell 提供了丰富的内置命令，所有命令都以斜杠（/）开头：

基本命令：

/exit 或 /quit - 退出 JShell
/help - 显示帮助信息
/help <command> - 显示特定命令的帮助

代码管理命令：

/list - 列出所有已输入的代码片段
/list <id> - 列出特定 ID 的代码片段
/edit - 在外部编辑器中编辑代码
/drop <id> - 删除特定 ID 的代码片段
/save <file> - 保存当前会话到文件
/open <file> - 从文件加载代码片段

检查环境命令：

/vars - 列出所有变量
/methods - 列出所有方法
/types - 列出所有类型定义
/imports - 列出所有导入
/env - 显示执行环境信息

执行控制命令：

/reset - 重置 JShell 状态，清除所有代码片段
/reload - 重新加载所有片段（有用于清除错误）

反馈控制命令：

/set feedback <mode> - 设置反馈模式（silent, concise, normal, verbose）
/set format <mode> - 设置输出格式
/set truncation <length> - 设置输出截断长度

5.4 高级 JShell 使用技巧

5.4.1 处理多行代码

JShell 支持多行输入，自动检测未完成的语句：

javascript 复制代码

jshell> for (int i = 1; i <= 5; i++) {
   ...>     System.out.println("Number: " + i);
   ...> }
Number: 1
Number: 2
Number: 3
Number: 4
Number: 5

5.4.2 使用外部编辑器

对于复杂代码，可以使用外部编辑器：

javascript 复制代码

jshell> /edit              // 打开编辑器编辑当前片段
jshell> /edit 3            // 编辑ID为3的片段

5.4.3 处理异常和错误

JShell 能优雅处理异常：

csharp 复制代码

jshell> int x = 10 / 0
|  Exception java.lang.ArithmeticException: / by zero
|        at (#1:1)

jshell> try {
   ...>     int y = 10 / 0;
   ...> } catch (Exception e) {
   ...>     System.out.println("捕获到异常: " + e.getMessage());
   ...> }
捕获到异常: / by zero

5.4.4 创建和测试自定义类

JShell 支持定义完整类：

arduino 复制代码

jshell> class Person {
   ...>     private String name;
   ...>     private int age;
   ...>
   ...>     public Person(String name, int age) {
   ...>         this.name = name;
   ...>         this.age = age;
   ...>     }
   ...>
   ...>     public String toString() {
   ...>         return name + ", " + age + "岁";
   ...>     }
   ...> }
|  已创建 类 Person

jshell> var person = new Person("张三", 25)
person ==> 张三, 25岁

5.4.5 探索 API

JShell 非常适合探索不熟悉的 API：

scss 复制代码

// 导入并尝试新API
jshell> import java.util.concurrent.Flow

// 查看类成员
jshell> Flow.Subscriber
Flow$Subscriber

// 查看方法签名
jshell> /methods Flow.Subscriber

5.4.6 与 Java 9 新特性集成

JShell 可以方便测试 Java 9 的其他新特性：

scss 复制代码

// 测试集合工厂方法
jshell> var list = List.of(1, 2, 3, 4)
list ==> [1, 2, 3, 4]

// 测试Stream新方法
jshell> list.stream().takeWhile(n -> n < 3).collect(Collectors.toList())
$2 ==> [1, 2]

// 测试Optional新方法
jshell> Optional.empty().orElseThrow(() -> new RuntimeException("空值"))
|  Exception java.lang.RuntimeException: 空值
|        at (#3:1)

5.5 JShell 脚本

JShell 支持创建可重用的脚本文件（.jsh）：

demo.jsh:

csharp 复制代码

// 定义实用工具方法
void printHeader(String header) {
    System.out.println("\n===== " + header + " =====");
}

// 测试集合工厂方法
printHeader("集合工厂方法");
var list = List.of("a", "b", "c");
System.out.println(list);

// 测试Optional
printHeader("Optional新方法");
Optional.of("测试").ifPresentOrElse(
    v -> System.out.println("值: " + v),
    () -> System.out.println("无值")
);

然后执行脚本：

ini 复制代码

$ jshell demo.jsh

===== 集合工厂方法 =====
[a, b, c]

===== Optional新方法 =====
值: 测试

5.6 实际应用场景

JShell 在以下场景特别有用：

学习 Java 或者新 API：快速尝试和理解
教学和培训：即时演示概念
API 探索和原型设计：探索不熟悉的 API
算法测试：快速验证算法逻辑
调试支持：类似于浏览器的控制台
快速数据探索：处理和检查数据

5.7 JShell 的内部机制

JShell 内部使用 Java 编译器 API（javax.tools）和 JDI（Java Debugger Interface）来实现其功能。它将片段转换为可执行代码，并使用特殊类装载器动态加载。

JShell 会话在内部维护一个"状态"，包括所有定义的变量、方法、类以及导入，使后续输入可以引用先前定义的元素。

6. Optional 类增强

Java 8 引入的 Optional 类在 Java 9 中得到了增强，添加了三个实用方法：

ifPresentOrElse()：提供缺失值的处理
or()：支持备选 Optional
stream()：将 Optional 转换为 Stream

vbnet 复制代码

Optional<String> result = Optional.empty();
result.or(() -> Optional.of("备选值"));

总结

Java 9 的核心新特性大大提升了开发效率和代码质量，其中最重要的是：

模块系统 ：提供了强大的封装和组件化能力，代表了 Java 平台的重大架构变革，本质是为了系统瘦身
JShell：交互式编程环境使 Java 更加灵活易用，特别适合学习、探索和原型设计
其他便利特性如集合工厂方法、Stream API 增强、接口私有方法和 Optional 类增强