Java 中 PriorityQueue 的底层数据结构及相关分析
Java 中 PriorityQueue 的底层数据结构及相关分析
1. PriorityQueue 的底层数据结构
在 Java 中，PriorityQueue 的底层数据结构是基于堆（Heap）实现的二叉堆（Binary Heap），默认使用最小堆（Min Heap），即堆顶元素是队列中的最小元素。
PriorityQueue 采用数组（Object[]）**来存储数据，并使用**二叉堆结构来维护优先级关系。
2. PriorityQueue 的实现原理
2.1 插入（offer/add）
- 新元素插入到堆的末尾（数组的最后一个位置）。
- 通过**上浮（siftUp）**操作，确保堆的有序性。
- 上浮操作通过比较当前节点与其父节点的大小，若当前节点比父节点小，则交换它们，直到满足最小堆的性质。
2.2 删除（poll/remove）
- 删除堆顶元素（最小元素）。
- 用堆的最后一个元素填补堆顶位置。
- 通过**下沉（siftDown）**操作，确保堆的有序性。
- 下沉操作通过比较当前节点与其子节点的大小，若当前节点大于子节点，则交换它们，直到满足最小堆的性质。
2.3 获取堆顶元素（peek）
- 直接返回数组的第一个元素（堆顶）。
- 时间复杂度 O(1)。
2.4 复杂度分析
- 插入（offer/add）：O(log n)
- 删除（poll/remove）：O(log n)
- 访问堆顶元素（peek）：O(1)
3. PriorityQueue 的应用场景
- 任务调度（按优先级处理任务）
- Dijkstra 最短路径算法
- Top K 问题（获取前 K 个最大/最小元素）
- 流式数据处理（如实时求中位数）
- 操作系统进程调度（按照优先级处理不同任务）
- 数据合并（如合并多个有序数组）
4. PriorityQueue 的优缺点
4.1 优点
- 自动维护有序性，取最小/最大元素效率高。
- 插入、删除操作高效，时间复杂度 O(log n)。
- 基于堆的高效实现，适用于大量数据的优先级处理。
4.2 缺点
- 不支持随机访问，不能像
ArrayList一样通过索引直接访问。 - 只保证堆顶元素是最小/最大，无法保证整体有序。
- 非线程安全，如需多线程使用，可考虑
PriorityBlockingQueue。
5. 替代方案
| 需求 | 替代方案 |
|---|---|
| 需要线程安全的优先队列 | PriorityBlockingQueue |
| 需要基于平衡二叉树的优先队列 | TreeSet（红黑树） |
| 需要维护多个优先级队列 | ConcurrentSkipListSet（跳表） |
| 需要自定义排序规则 | TreeMap |
6. PriorityQueue 使用示例
6.1 基本用法
import java.util.PriorityQueue;
public class PriorityQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建最小堆
PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<>();
pq.offer(5);
pq.offer(1);
pq.offer(3);
pq.offer(7);
pq.offer(2);
// 依次取出最小元素
while (!pq.isEmpty()) {
System.out.println(pq.poll());
}
}
}
输出：
1
2
3
5
7
6.2 自定义排序（最大堆）
import java.util.Collections;
import java.util.PriorityQueue;
public class MaxHeapExample {
public static void main(String[] args) {
PriorityQueue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<>(Collections.reverseOrder());
maxHeap.offer(5);
maxHeap.offer(1);
maxHeap.offer(3);
maxHeap.offer(7);
maxHeap.offer(2);
while (!maxHeap.isEmpty()) {
System.out.println(maxHeap.poll());
}
}
}
输出：
7
5
3
2
1
6.3 自定义对象排序
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Comparator;
class Task {
String name;
int priority;
public Task(String name, int priority) {
this.name = name;
this.priority = priority;
}
@Override
public String toString() {
return name + " (Priority: " + priority + ")";
}
}
public class TaskScheduler {
public static void main(String[] args) {
PriorityQueue<Task> taskQueue = new PriorityQueue<>(Comparator.comparingInt(t -> t.priority));
taskQueue.offer(new Task("Task A", 3));
taskQueue.offer(new Task("Task B", 1));
taskQueue.offer(new Task("Task C", 2));
while (!taskQueue.isEmpty()) {
System.out.println(taskQueue.poll());
}
}
}
输出：
Task B (Priority: 1)
Task C (Priority: 2)
Task A (Priority: 3)
7. 总结
- 底层结构：基于二叉堆，使用数组存储。
- 操作复杂度：插入/删除
O(log n)，访问O(1)。 - 应用场景：任务调度、最短路径、Top K 等。
- 优缺点：自动排序但不支持随机访问，非线程安全。
- 替代方案：线程安全用
PriorityBlockingQueue，基于红黑树用TreeSet。
PriorityQueue 是 Java 中处理优先级任务的高效工具，在需要动态维护最小或最大元素的场景下非常有用。