JDK21新特性Record Patterns記錄模式詳解

1 摘要

通過使用記錄模式來增強Java編程語言，以解構記錄值。記錄模式和類型模式可嵌套使用，從而實現強大、聲明式和可組合的數據導航和處理形式。

2 發展史

由 JEP 405 提出的預覽功能，並在JDK 19發佈，然後由 JEP 432 再次預覽，並在JDK 20發佈。該功能與用於switch的模式匹配（JEP 441）共同演進，並且二者有相當大的交互作用。本JEP提議在持續的經驗和反饋基礎上對該功能完善。

除了一些次要的編輯更改，自第二個預覽版以來的主要變化是刪除了對增強for語句頭部出現記錄模式的支持。這個功能可能會在未來的JEP中重提。

3 目標

擴展模式匹配以解構記錄類的實例，實現更復雜的數據查詢
添加嵌套模式，實現更可組合的數據查詢

4 動機

Java 16中， JEP 394 擴展了instanceof運算符，使其可接受類型模式並執行模式匹配。這個簡單的擴展使得熟悉的instanceof和強制轉換慣用法變得更簡潔、更不易出錯：

// ＜Java 16
if (obj instanceof String) {
    String s = (String)obj;
    ... 使用s ...
}
// ≥Java 16
if (obj instanceof String s) {
    ... 使用s ...
}

新代碼中，若obj在運行時是String的實例，則obj與類型模式String s匹配。若模式匹配成功，則instanceof true，且模式變量s被初始化爲obj強制轉換爲String的值，然後可以在包含的代碼塊中使用。

類型模式一次性消除了許多類型轉換的出現。然而，它們只是朝着更聲明式、以數據爲焦點的編程風格邁出的第一步。隨Java支持新的、更具表現力的數據建模，模式匹配可通過讓開發表達模型的語義意圖來簡化對這些數據的使用。

5 Pattern matching和records

記錄 (JEP 395) 是數據的透明載體。接收記錄類實例的代碼通常會使用內置的組件訪問器方法提取數據，即組件。

5.1 Point的實例

如用類型模式測試一個值是否是記錄類Point的實例，並在匹配成功時從該值中提取x和y組件。

Java8

class Point {
    private int x;
    private int y;
    
    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
    
    public int getX() {
        return x;
    }
    
    public int getY() {
        return y;
    }
}

static void printSum(Object obj) {
    if (obj instanceof Point) {
        Point p = (Point) obj;
        int x = p.getX();
        int y = p.getY();
        System.out.println(x + y);
    }
}

≥Java 16

record Point(int x, int y) {}

static void printSum(Object obj) {
    if (obj instanceof Point p) {
        int x = p.x();
        int y = p.y();
        System.out.println(x+y);
    }
}

僅使用模式變量p調用訪問方法x()、y()，這些方法返回組件x和y的值。

在每個記錄類中，其訪問方法和組件之間存在一對一對應關係。

如果模式不僅可測試一個值是否是Point的實例，還可直接從該值中提取x和y組件，從而代表我們調用訪問器方法的意圖將更好。換句話說：

// Java 21及以後
static void printSum(Object obj) {
    if (obj instanceof Point(int x, int y)) {
        System.out.println(x+y);
    }
}

Point(int x, int y) 是一個record pattern。它將用於提取組件的局部變量的聲明直接提升到模式本身，並在值與模式匹配時通過調用訪問方法對這些變量初始化。實際上，record pattern將記錄的實例解構爲其組件。

6 嵌套record pattern

模式匹配的真正威力在於優雅擴展到匹配更復雜的對象圖。

考慮以下聲明：

// Java 16及以後
record Point(int x, int y) {}
enum Color { RED, GREEN, BLUE }
record ColoredPoint(Point p, Color c) {}
record Rectangle(ColoredPoint upperLeft, ColoredPoint lowerRight) {}

已知可使用記錄模式提取對象的組件。如想從左上角點提取顏色：

// Java 21及以後
static void printUpperLeftColoredPoint(Rectangle r) {
    if (r instanceof Rectangle(ColoredPoint ul, ColoredPoint lr)) {
         System.out.println(ul.c());
    }
}

但ColoredPoint值ul本身是個記錄值，希望進一步分解。因此，記錄模式支持嵌套，允許對記錄組件進一步匹配、分解。可在記錄模式中嵌套另一個模式，同時對外部和內部記錄分解：

// Java 21及以後
static void printColorOfUpperLeftPoint(Rectangle r) {
    if (r instanceof Rectangle(ColoredPoint(Point p, Color c),
                               ColoredPoint lr)) {
        System.out.println(c);
    }
}

嵌套模式允許以與組裝對象的代碼一樣清晰簡潔方式拆解聚合。如創建一個矩形，通常會將構造函數嵌套在一個表達式中：

// Java 16及以後
Rectangle r = new Rectangle(new ColoredPoint(new Point(x1, y1), c1), 
                            new ColoredPoint(new Point(x2, y2), c2));

使用嵌套模式，我們可以使用與嵌套構造函數結構相似的代碼來解構這樣的矩形：

// Java 21及以後
static void printXCoordOfUpperLeftPointWithPatterns(Rectangle r) {
    if (r instanceof Rectangle(ColoredPoint(Point(var x, var y), var c),
                               var lr)) {
        System.out.println("Upper-left corner: " + x);
    }
}

嵌套模式可能無法匹配：

// Java 21及以後
record Pair(Object x, Object y) {}
Pair p = new Pair(42, 42);
if (p instanceof Pair(String s, String t)) {
    System.out.println(s + ", " + t);
} else {
    System.out.println("Not a pair of strings");
}

這裏的記錄模式Pair(String s, String t)包含了兩個嵌套的類型模式，即String s和String t。如果一個值與模式Pair(String s, String t)匹配，那麼它是一個Pair，並且遞歸地，它的組件值與類型模式String s和String t匹配。在我們上面的示例代碼中，由於記錄的兩個組件值都不是字符串，因此這些遞歸的模式匹配失敗，因此執行else塊。

總之，嵌套模式消除了導航對象的意外複雜性，使我們能專注這些對象所表示的數據。它們還賦予我們集中處理錯誤的能力，因爲如果一個值無法與嵌套模式P(Q)匹配，那子模式P和Q中的任何一個或兩個都無法匹配。我們不需要檢查和處理每個單獨的子模式匹配失敗——要麼整個模式匹配，要麼不匹配。

7 描述

使用可嵌套的記錄模式。

模式語法變爲：

Pattern:
  TypePattern
  RecordPattern

TypePattern:
  LocalVariableDeclaration

RecordPattern:
  ReferenceType ( [ PatternList ] )

PatternList: 
  Pattern { , Pattern }

8 記錄模式

由記錄類類型和（可能爲空的）模式列表組成，該列表用於與相應的記錄組件值進行匹配。

如聲明

record Point(int i, int j) {}

如果值v與記錄模式Point(int i, int j)匹配，則它是記錄類型Point的實例；如這樣，模式變量i將被初始化爲在值v上調用與i對應的訪問器方法的結果，模式變量j將被初始化爲在值v上調用與j對應的訪問器方法的結果。（模式變量的名稱不需要與記錄組件的名稱相同；也就是說，記錄模式Point(int x, int y)的行爲相同，只是模式變量x和y被初始化。）

null值不與任何記錄模式匹配。

記錄模式可用var來匹配記錄組件，而無需聲明組件的類型。在這種情況下，編譯器會推斷由var模式引入的模式變量的類型。如模式Point(var a, var b)是模式Point(int a, int b)的簡寫。

記錄模式聲明的模式變量集合包括模式列表中聲明的所有模式變量。

如果一個表達式可以在不需要未經檢查的轉換的情況下將其轉換爲模式中的記錄類型，則該表達式與記錄模式兼容。

如果記錄模式命名了一個泛型記錄類，但沒有給出類型參數（即，記錄模式使用原始類型），則始終會推斷類型參數。例如：

// Java 21及以後
record MyPair<S,T>(S fst, T snd){};
static void recordInference(MyPair<String, Integer> pair){
    switch (pair) {
        case MyPair(var f, var s) -> 
            ... // 推斷的記錄模式 MyPair<String,Integer>(var f, var s)
        ...
    }
}

記錄模式的類型參數推斷在支持記錄模式的所有結構中都受到支持，即instanceof表達式和switch語句和表達式。

推斷適用於嵌套記錄模式；例如：

// Java 21及以後
record Box<T>(T t) {}
static void test1(Box<Box<String>> bbs) {
    if (bbs instanceof Box<Box<String>>(Box(var s))) {
        System.out.println("String " + s);
    }
}

這裏，嵌套模式Box(var s)的類型參數被推斷爲String，因此模式本身被推斷爲Box<String>(var s)。

甚至可省略外部記錄模式中的類型參數，得到簡潔代碼：

// Java 21及以後
static void test2(Box<Box<String>> bbs) {
    if (bbs instanceof Box(Box(var s))) {
        System.out.println("String " + s);
    }
}

這裏編譯器會推斷整個instanceof模式爲Box<Box<String>>(Box<String>(var s))。

爲保持兼容性，類型模式不支持隱式推斷類型參數；如類型模式List l始終被視爲原始類型模式。

9 記錄模式和完整的switch

JEP 441增強了switch表達式和switch語句，以支持模式標籤。無論是switch表達式還是模式switch語句，都必須是完整的：switch塊必須有處理選擇器表達式的所有可能值的子句。對於模式標籤，這是通過分析模式的類型來確定的；例如，case標籤case Bar b匹配類型爲Bar及其所有可能的子類型的值。

對於涉及記錄模式的模式標籤，分析更加複雜，因爲我們必須考慮組件模式的類型，並對密封層次結構進行調整。例如，考慮以下聲明：

class A {}
class B extends A {}
sealed interface I permits C, D {}
final class C implements I {}
final class D implements I {}
record Pair<T>(T x, T y) {}
Pair<A> p1;
Pair<I> p2;

以下switch不是完整的，因爲沒有匹配包含兩個類型爲A的值的對：

// Java 21及以後
switch (p1) {                 // 錯誤！
    case Pair<A>(A a, B b) -> ...
    case Pair<A>(B b, A a) -> ...
}

這兩個switch是完整的，因爲接口I是密封的，因此類型C和D涵蓋了所有可能的實例：

// Java 21及以後
switch (p2) {
    case Pair<I>(I i, C c) -> ...
    case Pair<I>(I i, D d) -> ...
}

switch (p2) {
    case Pair<I>(C c, I i) -> ...
    case Pair<I>(D d, C c) -> ...
    case Pair<I>(D d1, D d2) -> ...
}

相比之下，這個switch不是完整的，因爲沒有匹配包含兩個類型爲D的值的對：

// Java 21及以後
switch (p2) {                        // 錯誤！
    case Pair<I>(C fst, D snd) -> ...
    case Pair<I>(D fst, C snd) -> ...
    case Pair<I>(I fst, C snd) -> ...
}

10 未來

記錄模式的描述中提到了許多可以擴展這裏描述的記錄模式的方向：

可變參數模式，用於可變數量的記錄
匿名模式，可以出現在記錄模式的模式列表中，匹配任何值，但不聲明模式變量
適用於任意類的值而不僅僅是記錄類的模式。

我們可以在未來的JEP中考慮其中的一些方向。

11 依賴關係

本JEP建立在Pattern Matching for instanceof（JEP 394）的基礎上，該功能已在JDK 16中發佈。它與Pattern Matching for switch（JEP 441）共同演進。

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JDK21新特性Record Patterns記錄模式詳解

1 摘要

2 發展史

3 目標

4 動機

5 Pattern matching和records

5.1 Point的實例

Java8

≥Java 16

6 嵌套record pattern

7 描述

8 記錄模式

9 記錄模式和完整的switch

10 未來

11 依賴關係

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