是時候考慮升級 JDK 17 了

来源:https://www.cnblogs.com/abmcode/archive/2022/11/24/time_to_upgrade_jdk.html
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Spring,作為 Java EE 的事實規範,在2022年11月16日發佈了最新的 6.0.0 GA 版本。這個版本是框架後續新生代的初始版本,擁抱持續創新的 OpenJDK 和 Java 生態。新的版本以 Java 17+ 作為 baseline,並遷移至 Jakarta EE 9+(即,使用 ...


Spring,作為 Java EE 的事實規範,在2022年11月16日發佈了最新的 6.0.0 GA 版本。這個版本是框架後續新生代的初始版本,擁抱持續創新的 OpenJDK 和 Java 生態。新的版本以 Java 17+ 作為 baseline,並遷移至 Jakarta EE 9+(即,使用 jakarta 命名空間)。

而在基礎設施方面,6.0 首次引入了 AOT 轉換,併為 Spring 應用程式上下文提供了相應的 AOT 處理支持。這為 Spring Boot 3 的 GraalVM 原生鏡像提供了支持。原生鏡像的啟動速度非常快,並且能減少 Java 應用程式占用的記憶體。此外,新版本中支持虛擬線程,虛擬線程是輕量級的線程,能顯著減少寫入、維護的開銷,在併發應用中有較高的吞吐量。

其中很重要的一點是,新的 Spring 6.0 只支持 Java 17+ 了,並且在 Spring 相關的博客中也建議大家升級 JDK 到 17。

JDK LTS

下表是 Oracle 官方提供的 JDK 支持計劃:

Oracle JDK 支持計劃

那為什麼是 JDK 17 呢?首先,在 JDK 8 之後只有 JDK 11 和 17 是 LTS(長期維護)版本,而實際上 11 又被大家公認為是過渡版本,對於 JDK 17,Oracle 官宣會提供支持到 2029 年,這給了業界一個相當長的期許,終於可以考慮替換已經誕生 8 年且在2019年1月已經停止公開更新的 JDK 8 了。

開發者關心的功能升級

下麵我們看一下 JDK 從 8 升級到 17 的過程中,有哪些另開發者心動的功能呢?

介面私有方法(JDK9)

Java 8 支持在介面中編寫預設(default)方法,而從 Java 9 開始,可以在介面中包含私有方法。私有介面方法不能是抽象的。私有方法只能在介面內部使用:

public interface CustomCalculator {
    default int addEvenNumbers(int... nums) {
        return add(n -> n % 2 == 0, nums);
    }

    default int addOddNumbers(int... nums) {
        return add(n -> n % 2 != 0, nums);
    }

    private int add(IntPredicate predicate, int... nums) { 
        return IntStream.of(nums).filter(predicate).sum();
    }
}

本地變數類型推斷(JDK10)

在 Java 10 之前版本中,當我們定義局部變數時,需要在賦值的左側提供顯式類型,併在賦值的右邊提供實現類型:

Person mike = new Person("Mike");

在 Java 10 以後,可以用下麵的方式:

var john = new Person("john");
var doe = new Person("Doe");

// JDK 9 中提供了集合類型的新方法
var persons = List.of(john,doe);

// var 也可用於 for
for (var person : persons) {
    System.out.println(person.name);
}

雖然我們寫代碼的時候方便了,但其實這是 JDK 提供的語法糖,在編譯成 class 文件時,這些 var 還是會用實際的類型替換。

HTTP Client(JDK11)

java.net.http 包中的 HttpClient 最初在 JDK 9 中提供,後來在 JDK 10 升級,在 JDK 11 終於穩定成為標準功能,同時支持 HTTP/1.1 和 HTTP/2。下麵是用 HttpClient 發一個 GET 請求的例子:

HttpClient httpClient = HttpClient.newBuilder()
        .version(HttpClient.Version.HTTP_1_1)
        .connectTimeout(Duration.ofSeconds(10))
        .build();

HttpRequest request = HttpRequest.newBuilder()
        .GET()
        .uri(URI.create("https://httpbin.org/get"))
        .setHeader("User-Agent", "Java 11 HttpClient Bot")
        .build();

HttpResponse<String> response =
    httpClient.send(request, HttpResponse.BodyHandlers.ofString());

HttpHeaders headers = response.headers();
headers.map().forEach((k, v) -> System.out.println(k + ":" + v));

System.out.println(response.statusCode());
System.out.println(response.body());

Switch 表達式(JDK14)

Switch 表達式是指可以通過 switch 進行賦值,在 Java 12 和 13 中陸續提供了功能預覽,而在 Java 14 中成為標準功能。看下麵的示例:

private static int getValueViaYield(String mode) {
    int result = switch (mode) {
        case "a", "b":
            yield 1; //使用 yield 提供返回值
        case "c":
            yield 2;
        case "d", "e", "f":
            // do something here...
            System.out.println("Supports multi line block!");
            yield 3;
        default:
            yield -1;
    };
    return result;
}

也可以通過箭頭函數直接返回,但是這兩種方式不能混用:

private static int getValueViaArrow(String mode) {
    int result = switch (mode) {
        case "a", "b" -> 1;
        case "c" -> 2;
        case "d", "e", "f" -> {
            // do something here...
            System.out.println("Supports multi line block!");
            yield 3;
        }
        default -> -1;
    };
    return result;
}

文本塊(JDK15)

文本塊功能最開始在 Java 13 和 14 中提供預覽,最終在 Java 15 成型,有了這個功能,定義 HTML、SQL 語句或者 JSON,都會更加方便:

String java15DefineHtml = """
                            <html>
                                <body>
                                    <p>Welcome to my blog</p>
                                </body>
                            </html>
                          """;
String java15DefineJson = """
                            {
                               "name":"世開Coding",
                               "type":"blog",
                               "URL":"https://blog.abmcode.com"
                            }
                          """;

instanceof 的模式匹配(JDK16)

在 JDK 16 以前,我們用 instanceof 是這樣的:

if (url instanceof String) {
    String s = (String) url;
    if (s.length() > 7) {
        if (s.equalsIgnoreCase("Java Development Kit 16")) {
            //...
        }
    }
}

那 JDK 16 之後呢,是這樣的,是不是瞬間清爽了:

// str 變數可以在後續邏輯中直接使用
if (url instanceof String str && str.length() > 5 && str.equalsIgnoreCase("Java Development Kit 16")){
    // ...
}

Record(JDK16)

Java 被人詬病的一個原因是需要編寫太多的模板代碼,在新建一個 POJO 時,我們需要提供 getters,setters。Lombok 通過 IDE 工具簡化了這個過程,而 Java 16 引入的 Record 類型也同樣減少了這種類型的樣板代碼。需要註意的是,Record 都是 final 的,且成員變數也都是 final 的,但是可以支持實現介面,例如,RunnableSerializable。因此,簡單的方法參數封裝或者 DTO 都是 Record 適應的場景。

// 成員變數 name 和 url
public record WebsiteRecord(String name, String url) implements Serializable {
    public WebsiteRecord {
        if (!url.toLowerCase().startsWith("http")) {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid URL address:" + url);
        }
        System.out.println("New Website:" + name);
    }
}

Sealed Class(JDK17)

我們都知道,帶有 final 修飾符的類是不能繼承的,那如果有些情況,我們還是希望能擴展類的功能,但是限制只有某些類能繼承呢?

在 Java 15 和 16 中引入了 Sealed Class 的功能預覽,在 Java 17 中作為標準功能提供。Sealed Class 只允許特定的類繼承。

// 只允許 Bicycle, Car, Truck 繼承
public abstract sealed class Vehicle permits Bicycle, Car, Truck {...}

// Car 帶有 final 修飾符,防止進一步擴展
public final class Car extends Vehicle {...}

// Truck 帶有 sealed 修飾符,只允許特定的類繼承
public sealed class Truck extends Vehicle permits PickTruck, CyberTruck {...}

// Bicycle 帶有 non-sealed 修飾符,任何類都可以繼續擴展
public non-sealed class Bicycle extends Vehicle {...}

// 任意擴展 Bicycle 類
public class Motor extends Bicycle {...}

使用 Sealed Class 還有幾點註意事項:

  • 被許可的子類,必須在編譯時能被父類訪問到。
  • 被許可的子類,必須直接繼承 Sealed 父類。
  • 被許可的子類,必須帶有 finalsealednon-sealed 三個修飾符之一。
  • 被許可的子類必須在同一個 Java 模塊中。

小結

JDK 版本的升級會引入新的編程語言功能,能進一步提高開發者編寫程式的效率,以前需要好幾行才能完成的功能,現在一行就搞定了。而新的概念和模塊推出,也可以優化軟體架構,減少對第三方庫的依賴。

性能提升

JDK 17 不只是提供了開發者關心的一些編程語言功能,在與舊版本的 JDK 相比,性能也得到了很大的提升。與 JDk 8 和 JDK 11 這兩個 LTS 相比,性能的提升主要得益於 JVM 中引入的新功能和改進,特別是 GC 方面的提升。

JDK 17 目前支持的垃圾收集器有:

  1. Parallel GC - JDK 8 和早期 JDK 的預設收集器,關註吞吐量,嘗試在最小延遲的情況下儘快完成工作並提高吞吐量。
  2. Garbage First(G1)- JDK 9 開始使用的預設收集器,G1 關註總體平衡的性能,會嘗試在吞吐量和延遲和吞吐量之間做平衡。
  3. ZGC(JDK 15) 和 Shenandoah GC(JDK 12)- 這兩個收集器關註延遲,通過犧牲吞吐量達到低延遲。ZGC 的啟用方式:-XX:+UseZGC
  4. Serial GC - 關註資源占用和啟動時間。這個收集器更像是一個簡化版的 Parallel GC,僅使用單線程進行處理。

可以看到,不同的收集器關註的性能方面是不一樣的,而決定使用哪個收集器,有時候也不是非常容易。首先我們需要搞清楚的是,我們的性能目標是什麼?希望提高業務的吞吐量、減少業務的延遲還是減少資源的占用?當然,我們希望最好這幾點能同時滿足,但是 GC 是沒有辦法在每個方面都做到極致的,畢竟設計這些 GC 的時候,是目標場景做了一些權衡的。再看一下這三大需要提升的場景:

  • 吞吐量 - 減少 GC 對完成單位時間內業務會話量的影響。
  • 延遲 - 減少 GC 對單個業務會話的影響。
  • 資源占用 - 減少 GC 使用的額外資源。

下麵我們看看使用 16GB 堆記憶體和 SPECjbb® 20151 基準測試對前三個收集器的測試結果。

吞吐量

吞吐量測試結果

測試結果中,數值越高表示性能越好,可以看到,JDK 17 中,ZGC 的性能提升了 20%,Parallel GC 和 G1 也分別有超過 10% 的提升。

延遲

延遲測試結果

從延遲的角度看,性能提升更加顯著。在縮短 GC 暫停時間所投入的工作有了回報。其中 G1 提升效果最佳,ZGC 也不錯。但是由於我們的基準測試是測量應用程式的延遲,所以還有數據在這個圖表是看不到的。ZGC 在暫停時間上表現非常優異,下麵的圖表展示暫停時間的提升(數值越小越好),我們可以看到 ZGC 的超預期性能:

暫停時間測試結果

在這裡,我們分析原始性能數字(每個柱子上的數字),因為圖表按照數據尺度做了歸一化,看上去有點奇怪。正如我們所看到的,JDK 17 中的 ZGC 的表現遠低於其亞毫秒暫停時間的目標。G1 的目標是在延遲和吞吐量之間保持平衡,其暫停時間目標也低於其預設暫停時間目標 200ms。此圖表最右邊的柱子展示不同的收集器如何處理可伸縮性。ZGC 的設計是暫停時間不隨堆大小而增大,我們清楚地看到,當堆擴展到 128 GB 時就是這種情況。從暫停時間的角度來看,G1 比 Parallel 更好地處理較大的堆,因為 G1 也具有保持暫停時間目標的邏輯。

資源占用

資源占用測試結果

圖中比較了三個不同收集器對本地記憶體的使用峰值。從結果看 Parallel 和 ZGC 都非常穩定,因此我們只能比較使用記憶體的絕對數值,而 G1 在這方面確實有所改進。

小結

無論使用哪種收集器,與舊版本相比,JDK 17 的整體性能都有很大的提升。在 JDK 8 中,預設使用 Parallel,但在 JDK 9 中改為了 G1。之後,G1 的改進速度就超過了 Parallel,但在有些情況下可能 Parallel 仍然是最好的選擇。而 ZGC(JDK 15)的加入,為我們提供了第三種高性能 GC 的選擇。

結語

開發環境方面,JDK 升級已經是大趨勢,Tomcat 10.1 已經支持 Jarkata EE,Hibernate ORM 6.1 也要求 JDK 11+。而最著名的開源框架 Spring 已經帶頭走在了更新 JDK 的康莊大道上,那麼其他使用 Spring 的技術框架肯定會慢慢跟上。比如,Jmix 也會在明年一季度的版本中適配 Spring 6 和 Boot 3;JHipster 更加激進,從 Spring RC 版本推出時,已經開始嘗試適配。

運行環境方面,JDK 17+ 帶來的性能提升總體來說能達到約 20%,但是對於實際運行的生產系統,這點提升可能不足以吸引運維部門做升級,畢竟堆硬體也能提升性能。而升級 JDK 還有可能引入新的安全問題。

因此,對開發人員來說,我們建議儘早切換至 JDK 17,嘗試新的語言特性,提升自己的技能。儘管可能會面臨新 JDK 中的安全問題,但是由於新版本正處在積極開發支持中,如果有問題也會很快解決。而對於企業來說,如果擔心安全問題影響線上系統,可以緩一緩再使用。另外,如果考慮去 Oracle,則可以選擇 OpenJDK,一些有實力的大企業也會使用 OpenJDK 構建自己的 JDK。

隨著技術的發展,越來越多的框架的新版本都會陸續支持新版的 JDK,企業肯定會慢慢的融入升級的大軍之中。

參考文章:

  1. https://spring.io/blog/2022/11/16/spring-framework-6-0-goes-ga
  2. https://reflectoring.io/java-release-notes/
  3. https://kstefanj.github.io/2021/11/24/gc-progress-8-17.html

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