JDK 23 功能預覽：JEP 455 基礎型別的模式匹配

在 Java 的演進過程中，模式匹配一直是項重要的特性，但在處理基礎型別（primitive types）時卻存在許多限制。JDK 23 中的 JEP 455 為 Java 帶來了基礎型別模式匹配（pattern matching）的支援，讓開發人員能夠更優雅地處理型別轉換和檢查。

它不僅擴展了 instanceof 運算子的功能，也增強了 switch 的能力去處理所有基礎型別。這些改進大幅提升了 Java 程式碼的表達能力和安全性，同時也減少了冗長且容易出錯的程式碼。

前言

在傳統的 Java 開發中，處理基礎型別的轉換常常需要寫出冗長的程式碼。例如，當我們需要將一個 int 轉型為 byte 時，必須先進行數值範圍檢查，然後再執行明確的轉型操作。這不僅增加了程式碼的複雜度，還容易產生錯誤。

更重要的是，在處理基礎型別轉換時，可能會發生無聲的資料遺失，但現有的 Java 語法並沒有提供優雅的方式來處理這種情況。另外，switch 陳述式的限制也一直是開發人員的痛點。在此之前，switch 只能處理有限的幾種基礎型別，無法處理 boolean、float、double 或 long 型別，這限制了其應用場景。

為什麼需要基礎型別的模式匹配？

第一個限制是 switch 的模式匹配（JEP 441）不支援基礎型別的模式，僅支援指定參考類型（reference type）的模式匹配，例如 case Integer i 或 case String s（自 Java 21 起，也支援記錄模式 JEP 440 用於 switch）。

另一個限制是記錄（record）的模式匹配對基礎型別的支援有限。當記錄類別中的某個欄位是基礎型別時，其模式匹配必須精確說明該值的型別。這對於開發人員來說是不方便的，並且與 Java 語言中存在的自動轉型不一致。例如，假設我們希望表示 JSON 數據：

sealed interface JsonValue {
    record JsonString(String s) implements JsonValue { }
    record JsonNumber(double d) implements JsonValue { }
    record JsonObject(Map<String, JsonValue> map) implements JsonValue { }
}

JSON 不區分整數和非整數，因此 JsonNumber 使用 double 表示數字以獲得最大的靈活性。但是，我們在創建 JsonNumber 記錄時不需要傳遞 double；我們可以傳遞一個 int，例如 30，Java 編譯器會自動將 int 擴展為 double：

var json = new JsonObject(Map.of("name", new JsonString("John"),
                                 "age",  new JsonNumber(30)));

遺憾的是，如果我們想用記錄模式分解 JsonNumber，Java 編譯器就沒那麼好說話了。由於 JsonNumber 是用 double 宣告的，我們必須將 JsonNumber 分解為 double，然後手動指定轉型為 int：

if (json instanceof JsonObject(var map)
    && map.get("name") instanceof JsonString(String n)
    && map.get("age")  instanceof JsonNumber(double a)) {
    int age = (int) a;  // 無法避免的（並且可能是有損的！）指定轉型
}

換句話說，基礎型別的模式匹配可以用在記錄類別上，但是其模式匹配裡的基礎型別必須與記錄欄位的基礎型別相同。無法通過 instanceof JsonNumber(int age) 來分解 JsonNumber 並讓編譯器自動將 double 窄化為 int。

這項限制是因為窄化轉型有可能會損失訊息，意即 double 的值可能太大或精度太高，導入無法安全地窄化成為 int 變數。然而，模式匹配的其中一個好處是它可以通過不匹配來拒絕非法值。也就是說，如果 JsonNumber 的 double 無法安全地窄化成為 int，那麼 instanceof JsonNumber(int age) 可以返回 false，讓程式在不同的條件分支中處理大型 double 數值即可。

JEP 455 概觀

本功能解除了基礎型別在模式匹配中存在的幾個限制。處理基礎型別和物件型別的程式碼將會被簡化，不再需要特殊處理，使得這兩種型別可以用相同的方式應對。由於現在可以自動處理條件式轉型（數值必須被檢查以確保它對目標型別有效），因此允許 instanceof 接受基礎型別的話可以進一步減少程式碼數量。

它增強了 Java 的模式匹配功能，並擴展 instanceof 和 switch，使其能夠在所有模式匹配的上下文中使用基礎型別：

• 基礎型別模式的增強：允許在模式匹配中適用更廣泛的候選基礎型別，例如 record Test(double d) 可以使用 x instanceof Test(int i) 去判定 d 值是否能轉型成 int
• instanceof 的擴展：允許 instanceof 運算符與基礎型別一起使用，並且可以安全轉換，例如 if (x instanceof int i) { ... }
• switch 的擴展：允許 switch 表達式處理所有基礎型別，包括 boolean、float、double 和 long，例如 case byte b -> ...

優點

• 使模式匹配在處理基礎型別和參考型別時更加一致，減少了開發人員需要記住的特殊情況，並且實現統一的資料處理方式
• 通過在 instanceof 和 switch 中使用基礎型別模式，可避免不必要的裝箱和拆箱操作，從而提高程式碼的效能，並消除不安全轉型而導致資料損失的風險
• 擴展了 instanceof 和 switch 的功能，使開發人員能夠編寫更具表達力和可讀性的程式碼

缺點

• 對於不熟悉模式匹配的開發人員來說，引入基礎型別模式可能會增加複雜度和學習曲線
• 雖然在某些情況下可以避免裝箱和拆箱操作，但在其他情況下，使用基礎型別模式可能會導致額外的效能影響

功能說明

讓我們來看看這項新功能如何改善程式碼。

switch 陳述句

透過在 switch 中支援基礎型別模式，我們可以改進 switch 表達式：

// 舊方式
switch (x.getStatus()) {
    case 0 -> "okay";
    case 1 -> "warning";
    case 2 -> "error";
    default -> "unknown status: " + x.getStatus();
}

通過將 default 子句修改成為具有基礎型別模式的 case 子句，該模式公開匹配的值：

// 新方式
switch (x.getStatus()) {
    case 0 -> "okay";
    case 1 -> "warning";
    case 2 -> "error";
    case int i -> "unknown status: " + i;
}

支援基礎型別模式還允許 guard 檢查匹配的值：

switch (x.getYearlyFlights()) {
    case 1 -> normal();
    case 2 -> issueDiscount();
    case int i when i >= 100 -> issueGoldCard();
    case int i -> issueSilverCard();  // 剩下的條件：when i > 2 && i < 100 ...
}

instanceof 陳述句

原本將 int 值轉型為 byte 是通過顯式的指定轉型執行的，但轉型有可能會損失訊息，因此必須在轉型前先進行繁瑣的範圍檢查：

// 舊方式
int value = 42;
if (value >= -128 && value <= 127) {
    byte b = (byte) value;
    // 使用 b
}

instanceof 中的基礎型別模式匹配會檢查該轉型是否會損失訊息，以避免開發人員近三十年來一直手動編寫的繁瑣範圍檢查。換句話說，instanceof 可以檢查數值和型別。上面的例子可以重寫如下：

// 新方式
if (value instanceof byte b) {  // 如果可以安全轉型的話即為 true
    // 使用 b，確保沒有資料遺失
}

結語

JEP 455 增強在模式匹配、instanceof 和 switch 中使用基礎型別，為 Java 開發人員帶來了更優雅、更安全的程式設計方式。透過統一的語法來處理型別檢查和轉型，不僅提高了程式碼的可讀性，也降低了發生錯誤的風險。

隨著這項功能的引入，Java 在型別系統的處理上更加完整和一致。雖然這可能需要一些時間來適應新的語法，但這項改進無疑將為 Java 開發帶來更好的開發體驗和更高的程式碼品質。

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