介绍一下PriorityQueue,以及优先队列实现大小根堆

Posted 2023-05-15

参考技术A

PriorityQueue优先队列
import java.util.PriorityQueue;它是java.util包下的

我们利用优先队列可以实现从小到大的排序,那么其实也就相当于可以实现一个特殊的小根堆和一个特殊的大根堆.
因为从小到大排序的数组必然是小根堆,从大到小排序的数组必然是大根堆.
但是小根堆未必是从小到大排序的数组,大根堆未必是从大到小排序的数组.

Java 集合框架PriorityQueue 优先级队列的使用

文章目录

• 1. 场景引入
• 2. PriorityQueue 介绍
• 3. 知识点
• 4. 常用方法
• 5. 优先级队列插入元素的细节问题
• 6. PriorityQueue 大根堆的创建方式
• • 6.1 思路
  • 6.2 代码实现
  • 6.3 使用匿名内部类

1. 场景引入

我们知道，Queue是一个先进先出（FIFO）的队列。

在很多应用中，我们通常需要按照优先情况对待处理对象进行处理，比如首先处理优先级最高的对象，然后处理次高的对象。最简单的一个例子就是，在手机上玩游戏时，如果有来电，那么系统应该优先处理进来的电话。

这个时候，我们发现，要实现上述的操作，用Queue就不行了，因为Queue会严格按 FIFO 的原则取出队首元素。故有了我们需要的优先队列：PriorityQueue。

2. PriorityQueue 介绍

Java 中 PriorityQueue 继承了 Queue 接口，它的底层是一个堆。

3. 知识点

• PriorityQueue 的底层是一个数组

  • 我们可以转到它的定义，可以看到它的底层定义是一个数组。为了知道这个数组的初始大小有多大
  • 再通过它的参构造方法转到定义，又可以看到
  • 再点击 this，转到其定义，我们发现又跳到了一个含两个参数的构造方法
  • 又在 PriorityQueue 的定义中 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11，即 initialCapacity = 11，所以我们可以知道数组的初始大小为11

• PriorityQueue 的底层默认是一个小根堆

• 如何使 PriorityQueue 的底层是一个大根堆？

  • 引用上图 PriorityQueue 的含参定义，我们知道第一个参数代表数组的大小，而第二个参数就一个比较器，传给他的就是比较的方法，通过给他传入大根堆的比较方式，我们就可以使 PriorityQueue 的底层变成大根堆

4. 常用方法

方法	描述
boolean offer(E e)	入队列
E poll()	出队列
E peek()	得到队首元素
int size()	返回集合中的元素个数

注意： 下面的示例都是一份代码分开拿出来的，上下其实是有逻辑关系的

示例一： 用 Priority Queue 创建一个优先级队列

PriorityQueue<Integer> queue=new PriorityQueue<>();

示例二： 入队列

queue.offer(10);
queue.offer(2);
queue.offer(5);

示例三： 得到队首元素

System.out.println(queue.peek());
// 结果为：2

示例四： 出队列

System.out.println(queue.poll());
// 结果为：2

示例五： 返回集合中元素个数

System.out.println(queue.size());
// 结果为：2

5. 优先级队列插入元素的细节问题

当我们使用优先级队列的时候，插入元素其实有个前提：

插入的元素不能是 null 或者元素之间必须能够进行比较

而基本的包装类类型都可以进行比较，如：Integer、Double、Float。但是对于我们自定义的类型，其实就可能不能比较，就如下面这个类当我们使用优先级队列对它的对象进行插入时，其实会报错

class Student{
    private String name;
    private int age;

    public Student(String name, int age, double score) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
}
public class TestDemo{
    public static void main(String[] args){
        PriorityQueue<Student> queue=new PriorityQueue<>();
        queue.offer(new Student("Tom",18));
        queue.offer(new Student("Hen",34));
    }
}

这是因为优先级队列的底层默认是一个小根堆，它存入元素时是需要进行比较对象的大小的。

我们可以转到 PriorityQueue 的无参构造方法的定义看看

此时我们的 comparator 默认是 null，我们再转到 offer 方法的定义看看

好像并没有什么异常，但是由于我插入第二个元素时，i 不为0，所以要进行 siftUp 方法，我们转到它的定义

由于我们知道 comparator 为 null，那么则要进行 siftUpComparable 方法，继续转到它的定义

我们发现，创建的 Student 的对象，被强转为了 Comparable<? super E>，并且还调用了 compareTo 方法。如果大家有看过我写的 解析 Java 的多态、抽象类和接口 和 Java 对象的比较 这两篇文章，那我就有讲到 compareTo 这个方法。这个方法是 Comparable 的一个抽象方法，定义的是比较对象大小的一个规则。

因此为了解决这个问题，我们就可以使用和 Comparable 或 Comparator 接口相关的知识

6. PriorityQueue 大根堆的创建方式

6.1 思路

这里便不对源码做具体分析，我们如果要 PriorityQueue 创建出的是一个大根堆，只需要对具体类型写一个比较器即可

6.2 代码实现

// 定义的某个要比较类型的比较器
class IntegerComparator implements Comparator<Integer>{
    @Override
    public int compare(Integer o1,Integer o2){
        // 如果第二个元素-第一个元素就是大根堆的实现方式，反之则为小根堆的创建方式，可以从源码去了解
        return o2-o1;
    }
}
public class TestDemo{
    public static void main(String[] args){
        PriorityQueue<Integer> maxHeap=new PriorityQueue<>(IntegerComparator);
    }
}

6.3 使用匿名内部类

上述代码也可以写成

public class TestDemo{
    public static void main(String[] args){
        PriorityQueue<Integer> maxHeap=new PriorityQueue<>(new Comparator<Integer>(){
            @Override
            public int compare(Integer o1,Integer o2){
                return o2-o1;
            }
        })
    }
}

这相当使用了一个匿名的内部类的方式去创建大根堆