java priorityQueue更新问题

Posted 2023-02-16

【中文标题】java priorityQueue更新问题

【英文标题】：java priorityQueue update problem

【发布时间】：2010-12-15 19:01:11

【问题描述】：

（抱歉我的英语不好）我正在编写 Dijkstra 算法的实现，我需要使用优先级队列。 我使用 Java Platform SE 6 中定义的 PriorityQueue。 在 Java Platform SE 5 中有一种类似 Q.update() 的方法可以重建优先级队列，以防其元素的优先级在插入后发生变化？ （我对放松和 Q.poll() 有疑问） 我需要更新需要 O(log n)

【问题讨论】：

优先级队列的要点是项目的优先级不应该改变。如果是这样，您应该将其拔出，然后以新的优先级重新插入。你有什么可能的要求，你需要某个有限的运行时间？我严重怀疑你能否获得 O(logN) 来重建队列......你会很幸运获得 O(N)

Updating Java PriorityQueue when its elements change priority的可能重复

【参考方案1】：

不，使用PriorityQueue，当元素在队列中时，无法重新堆放它们。

这是堆的常见优化。尽管移除堆顶部和将（更新的）元素放回堆中的时间复杂度是相同的顺序，但通知堆顶部元素已更新并且可能需要大约一半的时间在堆中向下移动。

【讨论】：

问题是当我必须放松时，我必须删除我想要更改优先级（权重）的元素，更新权重然后读取这个元素

Q.remove(v); v.setWeight(u.retWeight()+weight); Q.add(v);

我认为 Q.remove(v) 需要 O(n)

@davy - 是的，我理解这个问题。不幸的是，内置的PriorityQueue 没有提供解决方法，这太糟糕了，因为这是堆的一个非常常见的用例。

方法 remove() 和 add() 都是 O(log n)。而如果你只使用peek()（O(1)）和update()（O(log n)，它的速度是原来的两倍。

【参考方案2】：

更新已在优先级队列中的元素的优先级是一项重要操作，不提供此操作的优先级队列或多或少是无用的。

允许在 O(log n) 时间内更新已插入的值的优先级队列实现如下所示：

/**
 * PriorityQueue with updatePriority and item concept.
 * Makes use of a min heap.
 * 
 * @author Chris Stamm 
 * @version 6.10.2013
 */

import java.util.*;

public class PQueue<E extends Comparable<E>> 
public static class PQItem<E extends Comparable<E>> implements Comparable<PQItem<E>> 
    private E m_data;
    private int m_index;

    public PQItem(E data, int index) 
        m_data = data;
        m_index = index;
    

    public int compareTo(PQItem<E> item) 
        return m_data.compareTo(item.m_data);
    

    public E getData() 
        return m_data;
    

    public void setIndex(int index) 
        m_index = index;
    

    public int getIndex() 
        return m_index;
    


private ArrayList<PQItem<E>> m_array;

public PQueue() 
    m_array = new ArrayList<PQItem<E>>();


/**
 * O(n)
 */
public PQueue(Collection<? extends E> c) 
    m_array = new ArrayList<PQItem<E>>(c.size());

    // copy elements
    int j = 0;
    for(E e: c) 
        m_array.add(new PQItem(e, j++));
    

    // create heap
    final int s = m_array.size();
    int l2 = s/2 - 1;
    for (int i = l2; i >= 0; i--) 
        siftDown(i);
    


public int size() 
    return m_array.size();


public boolean isEmpty() 
    return m_array.isEmpty();


/**
 * O(log n)
 */
public PQItem<E> add(E data) 
    int s = size();
    PQItem<E> item = new PQItem(data, s);
    m_array.add(item);
    siftUp(s);
    return item;


/**
 * O(log n)
 */
public E removeFirst() 
    int size = size();
    if (size == 0) return null;
    if (size == 1) return m_array.remove(0).getData();

    int last = size - 1;
    // swap a[first] with a[last]
    PQItem<E> t = m_array.get(0); 
    E data = t.getData();
    set(0, m_array.get(last)); 
    set(last, t);
    // remove last
    m_array.remove(last);
    // heapify
    siftDown(0);
    return data;


public void clear() 
    m_array.clear();


public PQItem<E> getItem(int i) 
    return (i >= 0 && i < size()) ? m_array.get(i) : null;


public PQItem<E> getFirstItem() 
    return getItem(0);


public PQItem<E> getNextItem(PQItem<E> item) 
    if (item == null) return null;
    int index = item.getIndex() + 1;
    return (index < size()) ? m_array.get(index) : null;


/**
 * O(log n)
 */
public void updatePriority(PQItem<E> item) 
    int pos = item.getIndex();
    if (pos > 0) 
        // check heap condition at parent
        int par = (pos - 1)/2;
        if (m_array.get(par).compareTo(m_array.get(pos)) > 0) 
            siftUp(pos);
            return;
        
    
    int son = pos*2 + 1;
    if (son < size()) 
        // check heap condition at son
        if (m_array.get(pos).compareTo(m_array.get(son)) > 0) 
            siftDown(pos);
                
    


private int set(int pos, PQItem<E> item) 
    int oldIndex = item.getIndex();
    item.setIndex(pos);
    m_array.set(pos, item);
    return oldIndex;


/**
 * sift down at position pos.
 * O(log n)
 */
private void siftDown(int pos) 
    final int end = size() - 1;
    int son = pos*2 + 1;

    while (son <= end) 
        // son ist der linke Sohn
        if (son < end) 
            // pos hat auch einen rechten Sohn
            if (m_array.get(son).compareTo(m_array.get(son + 1)) > 0) son++;
        
        // son ist der grössere Sohn
        if (m_array.get(pos).compareTo(m_array.get(son)) > 0) 
            // swap a[pos] with a[son]
            PQItem<E> t = m_array.get(pos); 
            set(pos, m_array.get(son)); 
            set(son, t);
            pos = son;
            son = 2*pos + 1;
         else 
            return;
        
    


/**
 * sift up at position pos
 * O(log n)
 */
private void siftUp(int pos) 
    int par = (pos - 1)/2; // parent

    while(par >= 0) 
        if (m_array.get(par).compareTo(m_array.get(pos)) > 0) 
            // swap a[par] with a[pos]
            PQItem<E> t = m_array.get(par); 
            set(par, m_array.get(pos)); 
            set(pos, t);
            pos = par;
            par = (pos - 1)/2;
         else 
            return;
                    
    

这里是使用优先队列的三个小例子。

static void showMinHeap() 
    Integer[] values =  7, 9, 6, 3, 5, 1, 2, 8, 4, 0;
    PQueue<Integer> pq = new PQueue<Integer>(Arrays.asList(values));

    int lev = 1, i = 0;
    PQueue.PQItem<Integer> item = pq.getFirstItem();
    while(item != null) 
        if (i == lev) 
            System.out.println();
            lev <<= 1;
            i = 0;
        
        System.out.print(item.getData());
        System.out.print(' ');
        i++;
        item = pq.getNextItem(item);
        
    System.out.println();


static void heapSort() 
    Integer[] values =  7, 9, 6, 3, 5, 1, 2, 8, 4, 0;
    PQueue<Integer> pq = new PQueue<Integer>(Arrays.asList(values));

    for(int i=0; i < values.length; i++) 
        System.out.print(pq.removeFirst());
        System.out.print(' ');
    
    System.out.println();


static void testNodes() 
    class Node implements Comparable<Node> 
        private int m_key;

        public Node(int k)  
            m_key = k; 
        

        public void updateKey() 
            m_key *= 2;
        

        public int compareTo(Node v) 
            return (m_key == v.m_key) ? 0 : (m_key < v.m_key) ? -1 : 1;
        

        public String toString() 
            return String.valueOf(m_key);
        
    

    PQueue<Node> pq= new PQueue<Node>();
    Random rand = new Random(7777);
    final int size = 20;

    for (int i = 0; i < size; i++) 
        Node v = new Node(rand.nextInt(size));
        pq.add(v);
    
    for (int i = 0; i < size; i++) 
        // change key and update priority
        PQueue.PQItem<Node> item = pq.getItem(rand.nextInt(pq.size()));
        item.getData().updateKey();
        pq.updatePriority(item);

        // remove and show first
        System.out.println(pq.removeFirst());
    
    System.out.println();