Java中的优先队列PriorityQueue

PriorityQueue 是 Java 里的 “优先队列”——
本质上是一个 二叉堆（binary heap），默认 小根堆（堆顶最小）。
它 不是普通 FIFO 队列，而是 每次取出的都是“优先级最高”的元素。

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1 基本定位

接口/类	说明
实现接口	Queue, Collection, Iterable
底层结构	对象数组 实现的 可扩容二叉堆（完全二叉树）
是否线程安全	❌ 非同步；需要并发请用 PriorityBlockingQueue
允许 null	❌ 插入 null 抛 NullPointerException
是否有序	整体 无序；只有 堆顶 是最小（或最大）

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2 默认小根堆

PriorityQueue<Integer> q = new PriorityQueue<>();
q.add(5);
q.add(1);
q.add(3);
System.out.println(q.poll()); // 1
System.out.println(q.poll()); // 3
System.out.println(q.poll()); // 5

每次 poll() 都会拿出 当前最小值。

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3 自定义排序：改成“大根堆”

// 方法 1：传入 Comparator
PriorityQueue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<>((a, b) -> b - a);// 方法 2：使用 Comparator.reverseOrder()
PriorityQueue<Integer> maxHeap2 = new PriorityQueue<>(Comparator.reverseOrder());

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4 核心 API

方法	功能	失败时行为
boolean offer(E e)	入堆	返回 false / 抛异常（视容量策略）
E peek()	看堆顶	空返回 null
E poll()	弹出堆顶	空返回 null
boolean remove(Object o)	删除指定元素	成功 true，否则 false
int size()	当前元素个数
clear() / contains()	同 Collection

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5 存储结构：数组表示完全二叉树

对于下标 i（从 0 开始）

• 父节点索引： (i - 1) / 2
• 左孩索引： 2*i + 1
• 右孩索引： 2*i + 2

堆化向上（siftUp）与向下（siftDown）时间复杂度 O(log n)。

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6 初始容量与扩容

• 默认初始容量 11
• 扩容策略：旧容量 < 64 时 2 倍 + 2；否则 1.5 倍
• 可显式指定容量 new PriorityQueue<>(initialCapacity)

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7 元素必须可比较

元素要么

1. 实现 Comparable<T>（自然顺序），
2. 或在构造时提供 Comparator<? super E>。

否则运行期抛 ClassCastException。

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8 与 TreeSet 的异同

特性	PriorityQueue	TreeSet
底层	二叉堆	红黑树
整体有序	❌ 只有堆顶最值	✅ 完全有序
时间复杂度	offer/poll O(log n)	add/remove O(log n)
重复元素	✅ 允许	❌ 不允许

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9 常见用途

• Top-K 问题（用容量固定为 K 的大/小根堆）
• 合并 K 个有序链表/数组
• Dijkstra、Prim 等图算法需要“当前最小边/节点”
• 定时任务调度（DelayQueue 内部也用优先队列）

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10 小结一句话
PriorityQueue = 可动态增删的“堆”结构，永远把“优先级最高”的元素放在队首，默认小根堆，自定义 Comparator 可变大根堆，操作复杂度 O(log n)。