使用 hashmap 实现优先队列

Posted 2023-02-25

【中文标题】使用 hashmap 实现优先队列

【英文标题】：Implementing Priority queue using hashmap

【发布时间】：2014-08-13 20:48:39

【问题描述】：

这可能是一个非常幼稚的问题或没有意义。但我真的对优先队列的实现感到困惑。 为什么我们不能使用以键为优先级、以值作为具有该优先级的数据的哈希图。 我在这里缺少一些基本的东西吗？ 例如： 如果 A 的优先级为 1，B 为 3，c 为 4 我们可以简单地将 1,3,4 作为键，A,B,C 作为 hashmap 的值，分别用于优先级队列实现。 请清除我的逻辑

【问题讨论】：

因为HashMaps 没有被排序，所以你需要一些其他方法来确定什么是“下一个”。

请注意，PQ 的可能实现是使用 BST。那不过是一个排序的映射（SortedMap 在 java 中）。这里的排序顺序对于 PQ 的规范是必不可少的。

如果其中一个答案对您有所帮助，请接受它作为正确答案。

【参考方案1】：

优先级队列的目的是能够最快地访问最高优先级的元素，而 HashMap 的目的是允许您将键映射到值，因此可以在 O(1) 时间复杂度内访问这些元素。

O(1) 时间复杂度来自 Hash 函数，该函数为任何输入计算 HashMap 中的键或“索引”。但是哈希函数和优先级队列的结合变得复杂，因为HashMap是根据哈希函数分配key的，而优先级队列是根据元素的优先级分配key的，所以在结合的时候，相互矛盾。

【参考方案2】：

priorityQueue 使您的数据保持排序并维护该结构，如果您要遍历priorityQueue，它将以您实现其构造函数的方式一致地返回您的数据。 HashMap 不保留插入顺序。如果你试图从你的 hashmap 返回所有元素，你会得到不一致的结果。

除此之外，priorityQueue 使用最小/最大堆来保持数据有序，因此，任何插入/删除都是 Log(n)，因为它必须从 log(n) 级别比较节点以维护 priorityQueue 属性。其中 n 是队列中的数据数。

也许您可以使用linkedHashMap 来保留数据的顺序，因为它使用双重linkedList 结构。但是，对于 getMax() 等关键操作，运行时比priortyQueue 差。 priorityQueue 将在 O(log(n)) 时间内完成，而linkedHashMap 将花费 O(n) 时间，因为现在您必须遍历整个linkedList 以找到最大/最小值。

希望对你有帮助

【参考方案3】：

该实现的问题在于它没有利用 HashMap 功能轻松访问给定键的任何元素。由于您正在创建队列，因此您以后不会有优先级 1、3、4，而只需要找到地图的最高优先级，必须完全迭代才能做到这一点！

地图的工作原理是这样的：它创建一个巨大的数组，所有位置都包含空值（非常非常大）。然后，它使用公式获取您的密钥，通常是字符串或字符串表示形式，并将其转换为数字。一个简单的方法是对每个字母的字符代码求和，尽管这对地图来说是一个糟糕的选择，您可以稍后查找原因。然后，它用数组的模数（余数）大小（例如，Java 中的 n % 大小）限制该数字，使其成为数组中的有效位置，然后将元素放在那里。这样，就很容易进行密集搜索，因为您不需要搜索，您就知道每个元素的确切位置。

因此，使用 Map 实现队列会占用大量内存，而没有 HashMap 搜索的明显优势。此外，迭代它非常非常昂贵，因为您需要迭代一个巨大的数组并忽略空值；您不确定实际值在哪里。想象在您的示例中，优先级从 0 到 100。即使您永远不会有 100 个任务，但您将有一个 100 个位置数组来迭代，检查每个位置是否有具有该优先级的任务。

更好的方法是使用简单的列表并将优先级存储在数据中。假设优先级不随时间变化，您只需在添加时迭代一次，以找到正确的位置，并始终访问第一个（或最后一个）元素，即具有已知最高优先级的元素。

关于性能的最后一点，最好在添加时进行迭代，即使您添加的时间量与您正在搜索的时间量完全相同。因为当你搜索最高优先级时，你每次都需要一直走到最后，因为也许最后一个元素是更大的那个。请注意，即使您的键是数字字符串或整数，HashMap 也不会以整齐的新月顺序存储您的项目。它是专门不设计的，以避免冲突（两个相似的对象具有相同的键，因此需要将列表添加到大数组的特定位置）。但是，当您添加时，假设您的列表已经排序，您只需要迭代直到到达正确的目的地。

【讨论】：

谢谢它是有道理的“只需要找到地图的最高优先级”，我想检查从最高优先级到最低优先级。如果最大值不存在，则转到第二高，依此类推..绝对列表更好。感谢您的澄清

感谢您的快速回答:)

考虑一下。事实证明，List 在“添加”时进行了一次迭代。 hashmap 也在进行一次迭代，即在“获取”时。所以这两种情况都需要一次迭代。

您能否详细说明一下，在上述情况下列表如何更好，时间复杂度明智。

用新信息更新答案，看看:)

【参考方案4】：

长话短说，这一切都归结为HashMaps 没有排序，因此无论如何您最终都需要一些外部机制来确定队列中的“下一个”是什么。

例如，假设您输入了条目

[1, "A"]
[3, "B"]
[4, "C"]

如果您只有一个 HashMap，则没有可靠的方法可以确定 1 是“第一个”没有遍历每个键的，因为在内部键可能是：

[1, "A"]
[3, "B"]
[4, "C"]

或

[3, "B"]
[4, "C"]
[1, "A"]

或

[3, "B"]
[1, "A"]
[4, "C"]

等等。

来自HashMap javadoc：

这个类不保证地图的顺序；特别是，它不保证订单会随着时间的推移保持不变。

因此，使用HashMap 确实没有意义，因为无论如何你必须做的额外工作最终会使HashMap 的效率低于堆。

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现在，如果您真的想使用HashMap，您可以：

获取EntrySet，按键排序，然后得到第一个值。如果这是您需要获取第一个值的 only 时间，那没关系，但这种情况很少发生。一旦你改变了map，需要再做一次，效率比普通堆还差。

使用一些外部机制，例如ArrayList 或其他东西来跟踪键，也许将其作为插入值的一部分进行排序。不过，此时不妨跳过HashMap 并“正常”实现堆，因为否则您基本上在做同样的事情，但会增加在ArrayList 和HashMap 之间拆分数据的复杂性。

所以最后，额外的工作并不值得。

【讨论】：

感谢您的快速回答:)

【参考方案5】：

当您尝试遍历 HashMap 时，您会得到一个奇怪的顺序。 HashMaps（或与此相关的任何地图）没有保证遍历顺序，因此您将无法以有效的方式“排序”队列。

您当然可以查询所有键，对该列表进行排序，并按顺序获取值，但与替代方案相比，这非常低效（您已经在 O(n^2) 的键长度上，而无需执行其他操作工作）

【讨论】：

感谢您的快速回答:)