JDK 21 新增特性、使用方法与迁移实战

JDK 21是继17之后的重要LTS。它最受关注的是虚拟线程，但完整价值还包括Record模式、Switch模式匹配、Sequenced Collections、分代ZGC，以及JDK 18~21期间的默认UTF-8、简单Web服务器等工程能力。

必须先区分：JDK 21中既有正式特性，也有Preview和Incubator能力。Preview需要--enable-preview，API和语法可能在后续版本变化、撤回或再次预览，普通生产项目不应把它们当稳定基线。

一、JDK 18到21能力地图

正式能力

首次版本	能力	生产价值
JDK 18	默认UTF-8	跨环境字符集行为更一致
JDK 18	简单Web服务器	本地静态文件和测试
JDK 18	Javadoc代码片段	更可靠的文档示例
JDK 21	虚拟线程	高并发阻塞式IO编程
JDK 21	Record模式	解构Record组件
JDK 21	Switch模式匹配	按类型和条件分支
JDK 21	Sequenced Collections	统一首尾和逆序访问
JDK 21	分代ZGC	低延迟GC的分代模式
JDK 21	KEM API	密钥封装机制的统一API

JDK 21中的Preview/Incubator

能力	JDK 21状态	生产态度
String Templates	Preview	后续演进发生变化，不作为稳定语法依赖
Scoped Values	Preview	评估上下文传递，等待正式化
Structured Concurrency	Preview	适合实验任务生命周期结构化
Foreign Function & Memory API	第三次Preview	JDK 22后才正式，21中仍需Preview
Unnamed Patterns and Variables	Preview	语法可能变化
Unnamed Classes and Instance Main	Preview	教学和小程序实验

二、虚拟线程是什么

传统平台线程通常与操作系统线程较紧密绑定；虚拟线程由JDK调度，大量虚拟线程可以复用较少的载体线程。它的目标是让“一请求一线程”的同步代码在高并发IO等待场景下具有更好的伸缩性。

mermaid

flowchart TD
    A["大量业务任务"] --> B["大量虚拟线程"]
    B --> C["JDK调度器"]
    C --> D["少量Carrier平台线程"]
    D --> E["操作系统线程"]

虚拟线程不会让CPU计算变快。它主要减少大量阻塞等待线程的资源成本：数据库、HTTP、文件和队列等待仍然存在，下游容量也不会因为线程便宜而变大。

三、虚拟线程如何使用

3.1 每任务一个虚拟线程

java

try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    Future<User> userFuture = executor.submit(() -> userClient.get(userId));
    Future<List<Order>> orderFuture = executor.submit(() -> orderClient.list(userId));

    User user = userFuture.get();
    List<Order> orders = orderFuture.get();
    return new UserView(user, orders);
}

虚拟线程推荐“每个并发任务创建一个”，通常不需要像平台线程那样池化。newVirtualThreadPerTaskExecutor为每个提交任务创建虚拟线程。

3.2 直接启动

java

Thread thread = Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("running in " + Thread.currentThread());
});
thread.join();

3.3 Builder

java

ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual()
        .name("order-worker-", 0)
        .factory();

Thread thread = factory.newThread(this::processOrder);
thread.start();

四、虚拟线程适合什么

适合	原因
大量HTTP/RPC等待	阻塞时虚拟线程通常可卸载载体线程
数据库访问	保留同步JDBC写法，线程等待成本降低
高并发网关后业务编排	同步代码比回调链更易读
每任务独立的阻塞流程	生命周期自然映射到线程

不适合或收益有限：

场景	原因
CPU密集计算	CPU核心数量不变
长时间占用本地代码或发生pinning	载体线程不能及时释放
下游连接池很小	并发只会堆积在连接池前
依赖大量ThreadLocal缓存大对象	虚拟线程数量大导致内存压力
依赖固定线程身份的旧组件	线程语义假设可能失效

五、虚拟线程不等于无限并发

假设数据库最多安全处理100个并发查询，即使可以创建10万个虚拟线程，也不能让10万个任务同时访问数据库。

使用Semaphore限制下游并发：

java

private final Semaphore databasePermits = new Semaphore(100);

Order loadOrder(long orderId) throws InterruptedException {
    databasePermits.acquire();
    try {
        return repository.findById(orderId);
    } finally {
        databasePermits.release();
    }
}

需要同时设置：

HTTP客户端连接和请求超时。
数据库连接池上限。
入口限流。
下游并发隔离。
总任务时限和取消。
队列/积压指标。

虚拟线程解决线程成本，不解决容量、背压、超时和雪崩。

六、Pinning

在JDK 21中，虚拟线程执行某些阻塞操作时如果处在synchronized监视器或特定本地调用中，可能固定在载体线程上，降低伸缩性。

java

synchronized (lock) {
    // JDK 21中在监视器内执行长时间阻塞IO可能pin住Carrier
    remoteClient.call();
}

诊断：

bash

-Djdk.tracePinnedThreads=full

也可以使用JFR的虚拟线程相关事件。修复方向：

缩小synchronized范围。
不在监视器内调用慢IO。
评估使用ReentrantLock。
升级后重新验证，因为后续JDK对pinning行为持续改进。

回答JDK 21时必须按21的行为说明，不能把后续JDK优化倒推到21。

七、ThreadLocal和可观测性

虚拟线程支持ThreadLocal，但数量可能非常大：

不要为每个线程缓存大型对象或昂贵资源。
数据库连接不能长期绑定到虚拟线程。
MDC、Trace、SecurityContext传播要使用框架的兼容实现。
ThreadLocal必须清理，但频繁创建的虚拟线程降低了线程复用污染问题，不表示内存成本消失。
监控应看任务吞吐、失败、下游等待，而不是只看传统线程池active数量。

Scoped Values在JDK 21仍是Preview，可作为不可变上下文传播的实验方向，但不能当作JDK 21稳定API承诺。

八、Spring Boot中使用虚拟线程

较新的Spring Boot 3.x版本提供虚拟线程集成配置，但具体起始小版本、Web容器、调度和执行器行为要查项目使用版本，不能把“Boot 3”整体视为完全相同。

常见配置形态：

yaml

spring:
  threads:
    virtual:
      enabled: true

开启后仍需验证：

Web请求是否实际运行在虚拟线程。
@Async、任务调度和自定义Executor是否改变。
JDBC驱动、HTTP客户端和Agent是否兼容。
ThreadLocal/MDC/Tracing是否正确传播。
Hikari连接池是否成为新瓶颈。
压测下CPU、RSS、P99和下游并发。
优雅停机是否等待在途任务。

不要仅看“线程数更多”就判断收益，必须和平台线程基线比较同等吞吐下的内存、CPU和延迟。

九、Record模式

JDK 21可以在类型匹配时直接解构Record组件：

java

record Point(int x, int y) {}

static int distanceSquared(Object value) {
    if (value instanceof Point(int x, int y)) {
        return x * x + y * y;
    }
    return 0;
}

嵌套Record模式：

java

record Address(String city, String street) {}
record User(String name, Address address) {}

static String cityOf(Object value) {
    if (value instanceof User(String name, Address(String city, String street))) {
        return city;
    }
    return "UNKNOWN";
}

它适合解析不可变数据、协议消息和代数式类型。嵌套过深会降低可读性，复杂校验应拆成命名方法。

十、Switch模式匹配

java

static String describe(Object value) {
    return switch (value) {
        case null -> "NULL";
        case Integer number when number > 0 -> "正整数：" + number;
        case Integer number -> "非正整数：" + number;
        case String text when text.isBlank() -> "空白文本";
        case String text -> "文本：" + text;
        default -> "其他类型";
    };
}

能力：

按类型分支并绑定变量。
使用when守卫追加条件。
显式处理null。
编译器检查分支支配关系和穷尽性。

顺序很重要：宽泛类型不能放在更具体类型前面，否则后者不可到达。守卫条件应保持无副作用和易读。

配合sealed和record

java

sealed interface PayResult permits Success, Rejected {}
record Success(String tradeNo) implements PayResult {}
record Rejected(String reason) implements PayResult {}

static String message(PayResult result) {
    return switch (result) {
        case Success(String tradeNo) -> "成功：" + tradeNo;
        case Rejected(String reason) -> "拒绝：" + reason;
    };
}

编译器知道sealed层次的直接子类型集合，可以检查是否覆盖全部情况。这是JDK 17的Record和sealed在JDK 21中进一步组合的价值。

十一、Sequenced Collections

JDK 21为有明确遇到顺序的集合统一首尾和逆序操作。

java

SequencedCollection<String> queue = new ArrayList<>();
queue.addFirst("first");
queue.addLast("last");

String first = queue.getFirst();
String last = queue.getLast();

SequencedCollection<String> reversed = queue.reversed();

层次：

接口	说明
`SequencedCollection`	有遇到顺序，支持首尾和逆序视图
`SequencedSet`	有顺序且元素唯一
`SequencedMap`	有顺序的键值映射，支持首尾Entry

java

SequencedMap<String, Integer> scores = new LinkedHashMap<>();
scores.putFirst("URGENT", 100);
scores.putLast("NORMAL", 50);
Map.Entry<String, Integer> first = scores.firstEntry();

reversed()通常是反向视图，不应假设为独立复制；对原集合或视图的允许修改可能相互反映，具体看实现和接口契约。

十二、分代ZGC

JDK 21提供分代ZGC：

bash

java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational -jar app.jar

分代假设大量对象朝生夕死，将年轻对象与长寿对象区别处理，目标是在保持低停顿的同时提高分配回收效率。

生产评估指标：

P95/P99/P999停顿和业务延迟。
吞吐和CPU成本。
Heap占用和容器RSS。
分配速率、晋升和并发GC周期。
极端流量与内存压力下的余量。

ZGC不是“零停顿”，也不保证适合所有小堆和吞吐优先场景。应与现有G1在真实负载下对比，而不是只改参数上线。

十三、默认UTF-8

JDK 18起，标准Java API的默认字符集在常见场景统一为UTF-8，提高跨操作系统一致性。

java

Charset charset = Charset.defaultCharset();

升级风险：旧系统可能依赖Windows本地编码或历史容器默认编码。推荐始终显式指定协议和文件编码：

java

Files.readString(path, StandardCharsets.UTF_8);
text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);

默认UTF-8不能修复已有错误编码数据，也不能替代数据库、HTTP Header、CSV和消息协议中的显式编码约定。

十四、简单Web服务器

JDK 18提供命令行静态文件服务器：

bash

jwebserver -p 8000 -d ./public

适合本地分享静态文件、Demo和测试，不是生产Web容器：缺少完整认证、动态业务、治理和安全加固能力。

十五、Javadoc代码片段

JDK 18引入@snippet改善文档代码示例：

java

/**
 * 创建订单。
 * {@snippet :
 * Order order = service.create(command);
 * System.out.println(order.id());
 * }
 */

可以从外部文件引用并高亮区域，降低文档代码与真实示例失去同步的风险。仍建议在构建中编译或测试示例源文件。

十六、Preview特性怎么使用

编译：

bash

javac --release 21 --enable-preview Demo.java

运行：

bash

java --enable-preview Demo

Maven需要编译和测试运行都开启Preview；否则可能编译成功但测试JVM无法加载。Preview生成的Class只能在相同主版本并开启Preview的运行时执行。

生产原则：

稳定业务默认不用Preview。
实验项目明确隔离模块和升级成本。
不对外发布依赖Preview的长期公共SDK。
每次升级重新编译、测试API和语法。
不把JDK 21 Preview特性写进“21正式新增”列表。

十七、Structured Concurrency和Scoped Values

二者在JDK 21仍是Preview，仅用于理解方向。

Structured Concurrency把一组子任务视为一个生命周期单元，目标是统一成功、失败、取消和可观测性；Scoped Values用于在线程调用树中传递不可变上下文，避免滥用可变ThreadLocal。

概念示例需要Preview API，实际签名可能随版本变化，因此项目文档不提供可直接长期复制的固定生产代码。稳定项目应继续使用成熟Executor、CompletableFuture或框架抽象，并跟踪正式版本。

十八、Foreign Function & Memory API

FFM用于更安全高效地调用本地函数和操作堆外内存，目标是减少JNI样板。在JDK 21仍是Preview，到后续版本才正式；21项目若使用必须启用Preview并接受API升级成本。

适用方向：数据库/压缩/AI本地库、内存映射和高性能计算。不应为普通业务CRUD引入额外本地内存生命周期和跨平台复杂度。

十九、JDK 17升级21 Runbook

mermaid

flowchart TD
    A["确认框架、驱动、Agent支持21"] --> B["升级构建工具和测试插件"]
    B --> C["先用平台线程验证运行兼容"]
    C --> D["建立CPU、RSS、GC、P99基线"]
    D --> E["按场景灰度虚拟线程"]
    E --> F["检查pinning、ThreadLocal和下游容量"]
    F --> G["评估分代ZGC和新语言API"]
    G --> H["回滚演练与生产灰度"]

重点检查：

Spring Boot、Tomcat/Jetty/Netty的准确版本。
JDBC驱动、连接池、HTTP客户端和MQ客户端。
Byte Buddy、ASM、Mockito、Lombok、MapStruct。
APM、Profiler、安全和动态Attach Agent。
Maven/Gradle、Surefire、JaCoCo、jlink/jpackage。
虚拟线程中的ThreadLocal、MDC、Trace和事务上下文。
synchronized内阻塞导致的pinning。
数据库连接池和下游限流。
UTF-8默认行为和历史文件编码。
GC、RSS、CPU throttling、P99和线程Dump工具链。

建议先“只换JDK不启虚拟线程”，证明运行兼容后再单独打开虚拟线程；否则出问题时难区分版本兼容还是并发模型变化。

二十、常见误区

误区	正确理解
虚拟线程让代码执行更快	主要提高阻塞IO并发伸缩，不加速CPU计算
虚拟线程可以无限访问数据库	下游容量仍需Semaphore、连接池和限流
虚拟线程也要建固定大小池	通常每任务创建一个，资源在下游处限流
虚拟线程完全没有pinning	JDK 21需关注监视器和本地调用pinning
Record模式来自JDK 17	Record类型16正式，Record模式21正式
Switch模式在17已经正式	JDK 21才正式
JDK 21所有JEP都是正式API	多项仍是Preview/Incubator
分代ZGC适合所有服务	要与G1按真实堆和负载对比
默认UTF-8后不用写charset	协议和文件仍应显式约定

二十一、面试回答

JDK 21主要新增了什么

JDK 21正式引入虚拟线程，让高并发阻塞式IO代码以每任务一线程方式获得更好的伸缩性；正式提供Record模式和Switch模式匹配，支持类型分支、守卫和数据解构；增加Sequenced Collections统一集合首尾与逆序访问；提供分代ZGC。若从17升级，还会获得JDK 18默认UTF-8、简单Web服务器和Javadoc snippet等能力。Structured Concurrency、Scoped Values、FFM和String Templates在21中仍是Preview或Incubator，不能当成稳定正式能力。

虚拟线程和线程池有什么区别

平台线程昂贵，传统线程池通过复用有限线程控制线程资源；虚拟线程很轻，通常每个任务创建一个，不需要池化。并发限制应放在数据库、HTTP下游等稀缺资源前。虚拟线程不提高CPU核心数，仍要设置超时、取消、限流和连接池。

虚拟线程有哪些坑

JDK 21中在synchronized监视器内做长阻塞IO可能pin住载体线程；大量ThreadLocal大对象会放大内存；旧Agent和框架可能不兼容；线程便宜会让请求更快涌向数据库和下游。因此要监控pinning、RSS、下游等待、连接池和业务P99，并通过容量控制限制并发。

JDK 17升级21如何降低风险

先升级构建链、框架、驱动和Agent，只更换运行JDK并保留原并发模型，验证功能和性能；然后把虚拟线程作为独立变更灰度，检查ThreadLocal、pinning、连接池和下游容量；最后再评估分代ZGC和新语言API，并保留回滚开关。

二十二、关联学习

专题	内容
LTS版本演进总览	四个LTS版本对比和选型
JDK 17新增特性	17到21升级起点
Java 17现代基线	模块、容器和强封装基础
线程池全过程	平台线程池和容量治理
JVM性能调优	GC、内存和JFR
Spring Boot生产排查	线上线程、内存和连接池诊断

本章小结

JDK 21最重要的变化是让同步阻塞式代码重新获得高并发伸缩性，并让类型分支和数据解构进入正式语言能力。但虚拟线程不是无限资源，Preview也不是稳定承诺。生产升级应分离“运行时兼容”和“启用新并发模型”，用真实负载证明CPU、内存、GC、P99和下游容量都满足目标。

JDK 8/11/17/21 LTS演进

线程池

JDK 21 新增特性、使用方法与迁移实战 ​

一、JDK 18到21能力地图 ​

正式能力 ​

JDK 21中的Preview/Incubator ​

二、虚拟线程是什么 ​

三、虚拟线程如何使用 ​

3.1 每任务一个虚拟线程 ​

3.2 直接启动 ​

3.3 Builder ​

四、虚拟线程适合什么 ​

五、虚拟线程不等于无限并发 ​

六、Pinning ​

七、ThreadLocal和可观测性 ​

八、Spring Boot中使用虚拟线程 ​

九、Record模式 ​

十、Switch模式匹配 ​

配合sealed和record ​

十一、Sequenced Collections ​

十二、分代ZGC ​

十三、默认UTF-8 ​

十四、简单Web服务器 ​

十五、Javadoc代码片段 ​

十六、Preview特性怎么使用 ​

十七、Structured Concurrency和Scoped Values ​

十八、Foreign Function & Memory API ​

十九、JDK 17升级21 Runbook ​

二十、常见误区 ​

二十一、面试回答 ​

JDK 21主要新增了什么 ​

虚拟线程和线程池有什么区别 ​

虚拟线程有哪些坑 ​

JDK 17升级21如何降低风险 ​

二十二、关联学习 ​

本章小结 ​

JDK 21 新增特性、使用方法与迁移实战

一、JDK 18到21能力地图

正式能力

JDK 21中的Preview/Incubator

二、虚拟线程是什么

三、虚拟线程如何使用

3.1 每任务一个虚拟线程

3.2 直接启动

3.3 Builder

四、虚拟线程适合什么

五、虚拟线程不等于无限并发

六、Pinning

七、ThreadLocal和可观测性

八、Spring Boot中使用虚拟线程

九、Record模式

十、Switch模式匹配

配合sealed和record

十一、Sequenced Collections

十二、分代ZGC

十三、默认UTF-8

十四、简单Web服务器

十五、Javadoc代码片段

十六、Preview特性怎么使用

十七、Structured Concurrency和Scoped Values

十八、Foreign Function & Memory API

十九、JDK 17升级21 Runbook

二十、常见误区

二十一、面试回答

JDK 21主要新增了什么

虚拟线程和线程池有什么区别

虚拟线程有哪些坑

JDK 17升级21如何降低风险

二十二、关联学习

本章小结