解析Java中PriorityQueue優(yōu)先級(jí)隊(duì)列結(jié)構(gòu)的源碼及用法

更新時(shí)間：2016年05月17日 08:57:00 作者：pastqing

優(yōu)先級(jí)隊(duì)列是一種隊(duì)列結(jié)構(gòu),是0個(gè)或多個(gè)元素的集合,每個(gè)元素都有一個(gè)優(yōu)先權(quán),PriorityQueue被內(nèi)置于JDK中,本文就來解析Java中PriorityQueue優(yōu)先級(jí)隊(duì)列結(jié)構(gòu)的源碼及用法.

一、PriorityQueue的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

JDK7中PriorityQueue（優(yōu)先級(jí)隊(duì)列）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是二叉堆。準(zhǔn)確的說是一個(gè)最小堆。

二叉堆是一個(gè)特殊的堆，它近似完全二叉樹。二叉堆滿足特性：父節(jié)點(diǎn)的鍵值總是保持固定的序關(guān)系于任何一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的鍵值，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的左子樹和右子樹都是一個(gè)二叉堆。
當(dāng)父節(jié)點(diǎn)的鍵值總是大于或等于任何一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的鍵值時(shí)為最大堆。當(dāng)父節(jié)點(diǎn)的鍵值總是小于或等于任何一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的鍵值時(shí)為最小堆。
下圖是一個(gè)最大堆

201651785008152.png (501×371)

priorityQueue隊(duì)頭就是給定順序的最小元素。

priorityQueue不允許空值且不支持non-comparable的對(duì)象。priorityQueue要求使用Comparable和Comparator接口給對(duì)象排序，并且在排序時(shí)會(huì)按照優(yōu)先級(jí)處理其中的元素。

priorityQueue的大小是無限制的（unbounded）, 但在創(chuàng)建時(shí)可以指定初始大小。當(dāng)增加隊(duì)列元素時(shí)，隊(duì)列會(huì)自動(dòng)擴(kuò)容。

priorityQueue不是線程安全的，類似的PriorityBlockingQueue是線程安全的。

我們知道隊(duì)列是遵循先進(jìn)先出（First-In-First-Out）模式的，但有些時(shí)候需要在隊(duì)列中基于優(yōu)先級(jí)處理對(duì)象。舉個(gè)例子，比方說我們有一個(gè)每日交易時(shí)段生成股票報(bào)告的應(yīng)用程序，需要處理大量數(shù)據(jù)并且花費(fèi)很多處理時(shí)間?？蛻粝蜻@個(gè)應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際上就進(jìn)入了隊(duì)列。我們需要首先處理優(yōu)先客戶再處理普通用戶。在這種情況下，Java的PriorityQueue(優(yōu)先隊(duì)列)會(huì)很有幫助。

PriorityQueue是基于優(yōu)先堆的一個(gè)無界隊(duì)列，這個(gè)優(yōu)先隊(duì)列中的元素可以默認(rèn)自然排序或者通過提供的Comparator（比較器）在隊(duì)列實(shí)例化的時(shí)排序。
優(yōu)先隊(duì)列不允許空值，而且不支持non-comparable（不可比較）的對(duì)象，比如用戶自定義的類。優(yōu)先隊(duì)列要求使用Java Comparable和Comparator接口給對(duì)象排序，并且在排序時(shí)會(huì)按照優(yōu)先級(jí)處理其中的元素。

優(yōu)先隊(duì)列的頭是基于自然排序或者Comparator排序的最小元素。如果有多個(gè)對(duì)象擁有同樣的排序，那么就可能隨機(jī)地取其中任意一個(gè)。當(dāng)我們獲取隊(duì)列時(shí)，返回隊(duì)列的頭對(duì)象。

優(yōu)先隊(duì)列的大小是不受限制的，但在創(chuàng)建時(shí)可以指定初始大小。當(dāng)我們向優(yōu)先隊(duì)列增加元素的時(shí)候，隊(duì)列大小會(huì)自動(dòng)增加。

PriorityQueue是非線程安全的，所以Java提供了PriorityBlockingQueue（實(shí)現(xiàn)BlockingQueue接口）用于Java多線程環(huán)境。

二、PriorityQueue源碼分析

成員：

priavte transient Object[] queue;
private int size = 0;

1.PriorityQueue構(gòu)造小頂堆的過程

這里我們以priorityQueue構(gòu)造器傳入一個(gè)容器為參數(shù)PriorityQueue(Collecntion<? extends E>的例子：

構(gòu)造小頂堆的過程大體分兩步：

復(fù)制容器數(shù)據(jù)，檢查容器數(shù)據(jù)是否為null

private void initElementsFromCollection(Collection<? extends E> c) {
  Object[] a = c.toArray();
  // If c.toArray incorrectly doesn't return Object[], copy it.
  if (a.getClass() != Object[].class)
    a = Arrays.copyOf(a, a.length, Object[].class);
  int len = a.length;
  if (len == 1 || this.comparator != null)
    for (int i = 0; i < len; i++)
      if (a[i] == null)
        throw new NullPointerException();
  this.queue = a;
  this.size = a.length;
}

調(diào)整，使數(shù)據(jù)滿足小頂堆的結(jié)構(gòu)。
首先介紹兩個(gè)調(diào)整方式siftUp和siftDown

siftDown: 在給定初始化元素的時(shí)候，要調(diào)整元素，使其滿足最小堆的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。因此不停地從上到下將元素x的鍵值與孩子比較并做交換，直到找到元素x的鍵值小于等于孩子的鍵值（即保證它比其左右結(jié)點(diǎn)值?。?，或者是下降到葉子節(jié)點(diǎn)為止。
例如如下的示意圖，調(diào)整9這個(gè)節(jié)點(diǎn)：

201651785106575.png (1133×283)

private void siftDownComparable(int k, E x) {
  Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>)x;
  int half = size >>> 1;    // size/2是第一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)的下標(biāo)
  //只要沒到葉子節(jié)點(diǎn)
  while (k < half) {
    int child = (k << 1) + 1; // 左孩子
    Object c = queue[child];
    int right = child + 1;
    //找出左右孩子中小的那個(gè)
    if (right < size &&
      ((Comparable<? super E>) c).compareTo((E) queue[right]) > 0)
      c = queue[child = right];
    if (key.compareTo((E) c) <= 0)
      break;
    queue[k] = c;
    k = child;
  }
  queue[k] = key;
}

siftUp: priorityQueue每次新增加一個(gè)元素的時(shí)候是將新元素插入對(duì)尾的。因此，應(yīng)該與siftDown有同樣的調(diào)整過程，只不過是從下（葉子）往上調(diào)整。
例如如下的示意圖，填加key為3的節(jié)點(diǎn)：

201651785144192.png (680×255)

private void siftUpComparable(int k, E x) {
  Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>) x;
  while (k > 0) {
    int parent = (k - 1) >>> 1;   //獲取parent下標(biāo)
    Object e = queue[parent];
    if (key.compareTo((E) e) >= 0)
      break;
    queue[k] = e;
    k = parent;
  }
  queue[k] = key;
}

總體的建立小頂堆的過程就是：

private void initFromCollection(Collection<? extends E> c) {
    initElementsFromCollection(c);
    heapify();
  }

其中heapify就是siftDown的過程。

2.PriorityQueue容量擴(kuò)容過程

從實(shí)例成員可以看出，PriorityQueue維護(hù)了一個(gè)Object[], 因此它的擴(kuò)容方式跟順序表ArrayList相差不多。
這里只給出grow方法的源碼

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = queue.length;
    // Double size if small; else grow by 50%
    int newCapacity = oldCapacity + ((oldCapacity < 64) ?
                     (oldCapacity + 2) :
                     (oldCapacity >> 1));
    // overflow-conscious code
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
      newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);
  }

可以看出，當(dāng)數(shù)組的Capacity不大的時(shí)候，每次擴(kuò)容也不大。當(dāng)數(shù)組容量大于64的時(shí)候，每次擴(kuò)容double。

三、PriorityQueue的應(yīng)用

eg1：
這里給出一個(gè)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用：從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中求第K個(gè)大的數(shù)。
思路就是維持一個(gè)size = k 的小頂堆。

  //data是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)
  //heap維持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的堆
  //res用來保存第K大的值
  public boolean kthLargest(int data, int k, PriorityQueue<Integer> heap, int[] res) {
    if(heap.size() < k) {
      heap.offer(data);
      if(heap.size() == k) {
        res[0] = heap.peek();
        return true;
      }
      return false;
    }
    if(heap.peek() < data) {
      heap.poll();
      heap.offer(data);
    }
    res[0] = heap.peek();
    return true;
  }

eg2：
我們有一個(gè)用戶類Customer，它沒有提供任何類型的排序。當(dāng)我們用它建立優(yōu)先隊(duì)列時(shí)，應(yīng)該為其提供一個(gè)比較器對(duì)象。

Customer.java

package com.journaldev.collections;
 
public class Customer {
 
  private int id;
  private String name;
 
  public Customer(int i, String n){
    this.id=i;
    this.name=n;
  }
 
  public int getId() {
    return id;
  }
 
  public String getName() {
    return name;
  }
 
}

我們使用Java隨機(jī)數(shù)生成隨機(jī)用戶對(duì)象。對(duì)于自然排序，我們使用Integer對(duì)象，這也是一個(gè)封裝過的Java對(duì)象。
下面是最終的測(cè)試代碼，展示如何使用PriorityQueue：

PriorityQueueExample.java

package com.journaldev.collections;
 
import java.util.Comparator;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Queue;
import java.util.Random;
 
public class PriorityQueueExample {
 
  public static void main(String[] args) {
 
    //優(yōu)先隊(duì)列自然排序示例
    Queue<Integer> integerPriorityQueue = new PriorityQueue<>(7);
    Random rand = new Random();
    for(int i=0;i<7;i++){
      integerPriorityQueue.add(new Integer(rand.nextInt(100)));
    }
    for(int i=0;i<7;i++){
      Integer in = integerPriorityQueue.poll();
      System.out.println("Processing Integer:"+in);
    }
 
    //優(yōu)先隊(duì)列使用示例
    Queue<Customer> customerPriorityQueue = new PriorityQueue<>(7, idComparator);
    addDataToQueue(customerPriorityQueue);
 
    pollDataFromQueue(customerPriorityQueue);
 
  }
 
  //匿名Comparator實(shí)現(xiàn)
  public static Comparator<Customer> idComparator = new Comparator<Customer>(){
 
    @Override
    public int compare(Customer c1, Customer c2) {
      return (int) (c1.getId() - c2.getId());
    }
  };
 
  //用于往隊(duì)列增加數(shù)據(jù)的通用方法
  private static void addDataToQueue(Queue<Customer> customerPriorityQueue) {
    Random rand = new Random();
    for(int i=0; i<7; i++){
      int id = rand.nextInt(100);
      customerPriorityQueue.add(new Customer(id, "Pankaj "+id));
    }
  }
 
  //用于從隊(duì)列取數(shù)據(jù)的通用方法
  private static void pollDataFromQueue(Queue<Customer> customerPriorityQueue) {
    while(true){
      Customer cust = customerPriorityQueue.poll();
      if(cust == null) break;
      System.out.println("Processing Customer with ID="+cust.getId());
    }
  }
 
}

注意我用實(shí)現(xiàn)了Comparator接口的Java匿名類，并且實(shí)現(xiàn)了基于id的比較器。
當(dāng)我運(yùn)行以上測(cè)試程序時(shí)，我得到以下輸出：

Processing Integer:9
Processing Integer:16
Processing Integer:18
Processing Integer:25
Processing Integer:33
Processing Integer:75
Processing Integer:77
Processing Customer with ID=6
Processing Customer with ID=20
Processing Customer with ID=24
Processing Customer with ID=28
Processing Customer with ID=29
Processing Customer with ID=82
Processing Customer with ID=96

從輸出結(jié)果可以清楚的看到，最小的元素在隊(duì)列的頭部因而最先被取出。如果不實(shí)現(xiàn)Comparator，在建立customerPriorityQueue時(shí)會(huì)拋出ClassCastException。

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: com.journaldev.collections.Customer cannot be cast to java.lang.Comparable
  at java.util.PriorityQueue.siftUpComparable(PriorityQueue.java:633)
  at java.util.PriorityQueue.siftUp(PriorityQueue.java:629)
  at java.util.PriorityQueue.offer(PriorityQueue.java:329)
  at java.util.PriorityQueue.add(PriorityQueue.java:306)
  at com.journaldev.collections.PriorityQueueExample.addDataToQueue(PriorityQueueExample.java:45)
  at com.journaldev.collections.PriorityQueueExample.main(PriorityQueueExample.java:25)

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