Java 17新特性Sealed Classes与Pattern Matching

引言：Java 17中的新特性

在编程世界中，技术的演进就像一场永无止境的马拉松，而Java作为其中的长跑健将，始终保持着稳健的步伐。随着Java 17的发布，这门经典的编程语言再次迎来了新的变革，带来了许多令人振奋的新特性。其中，Sealed Classes（密封类）和Pattern Matching（模式匹配）无疑是本次更新中最引人注目的两大亮点。

Sealed Classes是一种全新的类设计机制，它允许开发者更精细地控制类的继承关系，从而提高代码的安全性和可维护性。而Pattern Matching则是一种强大的语法糖，旨在简化复杂的条件判断逻辑，使代码更加简洁、易读。这两项特性不仅为Java注入了新的活力，也为开发者提供了更多的工具来编写更高效、更优雅的代码。

在这次讲座中，我们将深入探讨这两个新特性，通过轻松诙谐的语言和丰富的代码示例，帮助大家更好地理解和掌握它们。无论你是Java的老手还是新手，相信这次讲座都能为你带来新的启发和收获。接下来，让我们先从Sealed Classes开始，看看它是如何改变我们编写类的方式的。

Sealed Classes：什么是密封类？

在Java 17之前，类的继承关系相对较为宽松。一个类可以被任意其他类继承，除非你明确地将其声明为final。然而，这种灵活性有时也会带来问题。例如，当你设计一个类时，可能只希望某些特定的类能够继承它，而不希望其他类随意扩展。为了解决这个问题，Java 17引入了Sealed Classes（密封类），这是一种全新的类设计机制，允许你更精细地控制类的继承关系。

1. 基本概念

Sealed Classes的核心思想是：你可以指定哪些类可以继承某个类，而其他类则无法继承它。换句话说，密封类就像是一个“封闭的俱乐部”，只有经过授权的成员才能加入。为了实现这一点，Java引入了三个新的关键字：

• sealed：用于声明一个类是密封类。
• permits：用于列出允许继承该密封类的具体类。
• final：用于声明一个类不能再被继承。

通过这些关键字，你可以精确地控制类的继承关系，从而避免不必要的扩展，提升代码的安全性和可维护性。

2. 语法结构

让我们来看一下Sealed Classes的基本语法结构。假设我们有一个名为Shape的密封类，它只允许Circle、Rectangle和Triangle这三个类继承它。我们可以这样定义：

public sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {
    // Shape类的实现
}

在这个例子中，sealed关键字表明Shape是一个密封类，而permits关键字后面跟着的是允许继承Shape的具体类名。这意味着只有Circle、Rectangle和Triangle这三个类可以继承Shape，其他类则无法继承它。

3. 子类的限制

既然Shape是一个密封类，那么它的子类也必须遵守一定的规则。具体来说，每个子类必须声明自己是final、sealed或non-sealed之一。这是为了确保整个继承链的可控性，防止出现意外的继承关系。

• final：表示该类不能再被继承。例如，Circle类可以声明为final，以确保它不会被进一步扩展。

public final class Circle extends Shape {
    // Circle类的实现
}

• sealed：表示该类仍然是密封类，但允许特定的类继承它。例如，Rectangle类可以继续使用sealed关键字，并指定允许继承它的类。

public sealed class Rectangle extends Shape permits Square {
    // Rectangle类的实现
}

• non-sealed：表示该类不再是密封类，任何类都可以继承它。例如，Triangle类可以声明为non-sealed，以允许其他类自由扩展它。

public non-sealed class Triangle extends Shape {
    // Triangle类的实现
}

4. 使用场景

Sealed Classes的一个典型应用场景是枚举类型（Enum）。在Java中，枚举本质上是一个特殊的类，它只能有固定数量的实例。通过使用Sealed Classes，我们可以实现类似的效果，但具有更大的灵活性。例如，假设我们正在设计一个图形编辑器，其中的图形类型是固定的，但我们希望每个图形类型可以有不同的行为。这时，Sealed Classes就可以派上用场了。

另一个常见的场景是状态机的设计。假设我们有一个订单处理系统，订单的状态可以是“待处理”、“已发货”或“已完成”。我们可以使用Sealed Classes来定义这些状态，并确保只有这些状态可以存在，从而避免非法状态的出现。

5. 优势与局限

Sealed Classes的主要优势在于它提供了一种更严格、更可控的类设计方式，能够有效防止不合理的继承关系。这不仅提高了代码的安全性，还使得代码更容易维护和理解。此外，Sealed Classes还可以与Pattern Matching（稍后会详细介绍）结合使用，进一步简化代码逻辑。

当然，Sealed Classes也有一些局限性。首先，它要求你在设计类时就要明确所有可能的子类，这可能会限制系统的灵活性。其次，Sealed Classes的语法相对复杂，对于初学者来说可能需要一些时间来适应。不过，随着经验的积累，你会发现Sealed Classes带来的好处远远超过了这些小缺点。

Pattern Matching：什么是模式匹配？

在Java中，条件判断一直是编写逻辑分支的重要手段。无论是if-else语句，还是switch-case语句，都是我们常用的工具。然而，随着程序复杂度的增加，传统的条件判断方式往往会变得冗长且难以维护。为了简化复杂的条件判断逻辑，Java 17引入了Pattern Matching（模式匹配），这是一种强大的语法糖，能够让你用更简洁、更直观的方式来处理不同类型的数据。

1. 基本概念

Pattern Matching的核心思想是：通过模式来匹配对象的类型或结构，并根据匹配结果执行相应的操作。简单来说，它就像是一个“智能的分类器”，能够自动识别对象的类型，并为你提供所需的信息。与传统的条件判断相比，Pattern Matching不仅减少了冗余代码，还提高了代码的可读性和可维护性。

2. 类型模式

类型模式是Pattern Matching中最常用的一种形式，它允许你在条件判断中直接检查对象的类型，并同时进行解构。例如，假设我们有一个Object类型的变量obj，我们想知道它是否是一个String，如果是的话，我们还想获取它的长度。在Java 16之前，我们通常会这样做：

if (obj instanceof String) {
    String str = (String) obj;
    System.out.println("Length: " + str.length());
} else {
    System.out.println("Not a String");
}

这段代码虽然简单，但有两个问题：首先，我们需要显式地进行类型转换；其次，代码显得有些冗长。有了Pattern Matching之后，我们可以这样写：

if (obj instanceof String str) {
    System.out.println("Length: " + str.length());
} else {
    System.out.println("Not a String");
}

在这个例子中，obj instanceof String str不仅检查了obj是否是String类型，还自动将其转换为str，省去了显式的类型转换步骤。这种写法不仅更加简洁，还减少了出错的可能性。

3. Switch表达式中的模式匹配

除了类型模式，Pattern Matching还可以与switch表达式结合使用，进一步简化复杂的条件判断逻辑。在Java 17中，switch表达式支持多种模式匹配，包括类型模式、常量模式和分解模式。

3.1 类型模式

我们已经在前面介绍了类型模式的基本用法。现在，让我们来看看如何在switch表达式中使用它。假设我们有一个Object类型的变量obj，我们想根据它的类型执行不同的操作。我们可以这样写：

switch (obj) {
    case String s -> System.out.println("It's a String: " + s);
    case Integer i -> System.out.println("It's an Integer: " + i);
    case null -> System.out.println("It's null");
    default -> System.out.println("Unknown type");
}

在这个例子中，switch表达式根据obj的类型自动选择了相应的分支，并进行了类型解构。这种写法不仅简洁明了，还避免了冗长的if-else链。

3.2 常量模式

除了类型模式，switch表达式还支持常量模式。常量模式允许你在case分支中直接匹配具体的值。例如，假设我们有一个int类型的变量status，我们想根据它的值执行不同的操作。我们可以这样写：

switch (status) {
    case 0 -> System.out.println("Status is 0");
    case 1 -> System.out.println("Status is 1");
    case 2 -> System.out.println("Status is 2");
    default -> System.out.println("Unknown status");
}

这个例子展示了如何使用常量模式来匹配具体的值。需要注意的是，常量模式不仅可以匹配基本类型，还可以匹配枚举类型和其他常量。

3.3 分解模式

分解模式是Pattern Matching中最强大的一种形式，它允许你在匹配过程中对对象进行拆解，并提取出有用的信息。例如，假设我们有一个Point类，它有两个属性x和y。我们想根据Point对象的坐标执行不同的操作。我们可以这样定义Point类：

record Point(int x, int y) {}

然后，在switch表达式中使用分解模式：

switch (point) {
    case Point(0, 0) -> System.out.println("Origin");
    case Point(x, 0) -> System.out.println("On the x-axis at " + x);
    case Point(0, y) -> System.out.println("On the y-axis at " + y);
    case Point(x, y) -> System.out.println("At (" + x + ", " + y + ")");
}

在这个例子中，switch表达式根据point对象的坐标自动选择了相应的分支，并提取出了x和y的值。这种写法不仅简洁明了，还避免了繁琐的条件判断。

4. 使用场景

Pattern Matching的应用场景非常广泛，尤其是在处理复杂的数据结构和多态性时。以下是一些常见的使用场景：

• 对象类型判断：当你需要根据对象的类型执行不同的操作时，类型模式可以帮助你简化代码。例如，在图形编辑器中，你可以根据图形的类型（如Circle、Rectangle等）执行不同的绘制逻辑。

• 状态机：在状态机的设计中，Pattern Matching可以帮助你根据当前状态执行不同的操作。例如，在订单处理系统中，你可以根据订单的状态（如“待处理”、“已发货”等）执行不同的处理逻辑。

• 解析JSON或其他数据格式：在解析JSON或其他复杂的数据格式时，Pattern Matching可以帮助你根据数据的结构提取出有用的信息。例如，你可以根据JSON对象的字段名称和类型执行不同的解析逻辑。

• 异常处理：在异常处理中，Pattern Matching可以帮助你根据异常的类型执行不同的处理逻辑。例如，你可以根据异常的类型（如NullPointerException、IOException等）执行不同的恢复操作。

5. 优势与局限

Pattern Matching的主要优势在于它提供了一种更简洁、更直观的方式来处理复杂的条件判断逻辑。通过减少冗余代码，它不仅提高了代码的可读性和可维护性，还降低了出错的可能性。此外，Pattern Matching还可以与Sealed Classes结合使用，进一步简化代码逻辑。

当然，Pattern Matching也有一些局限性。首先，它并不是万能的，有些复杂的条件判断仍然需要使用传统的if-else或switch语句。其次，Pattern Matching的语法相对复杂，对于初学者来说可能需要一些时间来适应。不过，随着经验的积累，你会发现Pattern Matching带来的好处远远超过了这些小缺点。

Sealed Classes与Pattern Matching的结合使用

在Java 17中，Sealed Classes和Pattern Matching不仅是两个独立的新特性，它们还可以相互配合，共同发挥作用。通过将Sealed Classes与Pattern Matching结合起来，你可以编写出更加简洁、更加安全的代码。接下来，我们将通过几个具体的例子来展示这种结合的优势。

1. 简化类型判断

假设我们有一个密封类Shape，它允许Circle、Rectangle和Triangle这三个类继承它。我们想根据具体的形状类型执行不同的绘制逻辑。在没有Pattern Matching的情况下，我们通常会使用instanceof来进行类型判断：

if (shape instanceof Circle) {
    Circle circle = (Circle) shape;
    drawCircle(circle);
} else if (shape instanceof Rectangle) {
    Rectangle rectangle = (Rectangle) shape;
    drawRectangle(rectangle);
} else if (shape instanceof Triangle) {
    Triangle triangle = (Triangle) shape;
    drawTriangle(triangle);
}

这段代码虽然可以工作，但显得有些冗长且容易出错。有了Pattern Matching之后，我们可以这样写：

switch (shape) {
    case Circle c -> drawCircle(c);
    case Rectangle r -> drawRectangle(r);
    case Triangle t -> drawTriangle(t);
}

在这个例子中，switch表达式不仅简化了类型判断，还避免了显式的类型转换。更重要的是，由于Shape是一个密封类，编译器可以确保所有的子类都已经被覆盖，因此不需要再写default分支。这种写法不仅更加简洁，还提高了代码的安全性。

2. 处理复杂的继承层次

在实际开发中，类的继承层次往往比上面的例子要复杂得多。假设我们有一个密封类Shape，它允许Rectangle和Triangle继承它，而Rectangle又允许Square继承它。我们想根据具体的形状类型执行不同的绘制逻辑。在没有Pattern Matching的情况下，我们可能会写出如下代码：

if (shape instanceof Circle) {
    Circle circle = (Circle) shape;
    drawCircle(circle);
} else if (shape instanceof Rectangle) {
    Rectangle rectangle = (Rectangle) shape;
    if (rectangle instanceof Square) {
        Square square = (Square) rectangle;
        drawSquare(square);
    } else {
        drawRectangle(rectangle);
    }
} else if (shape instanceof Triangle) {
    Triangle triangle = (Triangle) shape;
    drawTriangle(triangle);
}

这段代码不仅冗长，而且容易出错。有了Pattern Matching之后，我们可以这样写：

switch (shape) {
    case Circle c -> drawCircle(c);
    case Rectangle r when r instanceof Square s -> drawSquare(s);
    case Rectangle r -> drawRectangle(r);
    case Triangle t -> drawTriangle(t);
}

在这个例子中，switch表达式不仅简化了类型判断，还通过when子句实现了更复杂的条件判断。这种写法不仅更加简洁，还避免了嵌套的if-else语句，使得代码更加易读。

3. 提取对象的内部信息

有时候，我们不仅需要判断对象的类型，还需要提取对象的内部信息。假设我们有一个Person类，它有两个属性name和age。我们想根据Person对象的年龄范围执行不同的操作。我们可以这样定义Person类：

record Person(String name, int age) {}

然后，在switch表达式中使用分解模式：

switch (person) {
    case Person(_, age) when age < 18 -> System.out.println(person.name + " is a minor");
    case Person(_, age) when age >= 18 && age < 65 -> System.out.println(person.name + " is an adult");
    case Person(_, age) when age >= 65 -> System.out.println(person.name + " is a senior");
}

在这个例子中，switch表达式不仅判断了Person对象的类型，还提取了age属性，并根据其值执行了不同的操作。这种写法不仅简洁明了，还避免了冗长的条件判断。

4. 避免重复代码

在某些情况下，多个子类可能共享相同的处理逻辑。假设我们有一个密封类Shape，它允许Circle、Rectangle和Triangle继承它。我们想根据具体的形状类型执行不同的绘制逻辑，但对于Circle和Rectangle，我们希望使用相同的绘制方法。在没有Pattern Matching的情况下，我们可能会写出如下代码：

if (shape instanceof Circle || shape instanceof Rectangle) {
    drawShape(shape);
} else if (shape instanceof Triangle) {
    drawTriangle((Triangle) shape);
}

这段代码虽然可以工作，但显得有些冗长。有了Pattern Matching之后，我们可以这样写：

switch (shape) {
    case Circle c, Rectangle r -> drawShape(shape);
    case Triangle t -> drawTriangle(t);
}

在这个例子中，switch表达式允许我们在多个case分支中使用相同的处理逻辑，从而避免了重复代码。这种写法不仅更加简洁，还提高了代码的可维护性。

总结与展望

通过今天的讲座，我们深入了解了Java 17中的两大新特性——Sealed Classes和Pattern Matching。Sealed Classes为我们提供了一种更精细的类设计机制，能够有效防止不合理的继承关系，提升代码的安全性和可维护性。而Pattern Matching则为我们提供了一种更简洁、更直观的方式来处理复杂的条件判断逻辑，使得代码更加易读和易维护。

更重要的是，Sealed Classes和Pattern Matching可以相互配合，共同发挥作用。通过将它们结合起来，我们可以编写出更加简洁、更加安全的代码。无论是在处理复杂的继承层次，还是在提取对象的内部信息时，这两种特性都能为我们带来极大的便利。

当然，Java 17的发布只是Java演进过程中的一个里程碑。未来，Java还将继续推出更多令人期待的新特性，帮助开发者编写更高效、更优雅的代码。作为开发者，我们应该保持学习的热情，紧跟技术的发展步伐，不断提升自己的编程技能。

最后，希望大家在今后的开发中能够充分运用Sealed Classes和Pattern Matching，让代码变得更加简洁、安全和高效。感谢大家的聆听，如果有任何问题或建议，欢迎随时交流讨论！