Java中优先级队列的实现

Java中优先级队列的实现

Java中的优先级队列是通过PriorityQueue类实现的，它是基于**优先级堆（通常是最小堆）**的数据结构。下面详细解析其实现机制：

核心实现原理

1. 底层数据结构：

   • 使用数组（Object[] queue）存储元素
   • 逻辑上组织为二叉堆（默认是最小堆）

2. 堆的性质维护：

   • 父节点总是小于或等于子节点（最小堆）
   • 插入和删除操作后通过"上浮"和"下沉"操作维护堆性质

关键操作实现

1. 插入元素（add/offer）

public boolean offer(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    modCount++;
    int i = size;
    if (i >= queue.length)
        grow(i + 1);  // 动态扩容
    siftUp(i, e);     // 上浮操作
    size = i + 1;
    return true;
}

上浮过程（siftUp）：

private void siftUp(int k, E x) {
    if (comparator != null)
        siftUpUsingComparator(k, x);
    else
        siftUpComparable(k, x);
}

private void siftUpComparable(int k, E x) {
    Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>) x;
    while (k > 0) {
        int parent = (k - 1) >>> 1;  // 计算父节点位置
        Object e = queue[parent];
        if (key.compareTo((E) e) >= 0)
            break;
        queue[k] = e;  // 父节点下移
        k = parent;
    }
    queue[k] = key;  // 找到最终位置
}

2. 删除元素（poll/remove）

public E poll() {
    if (size == 0)
        return null;
    int s = --size;
    modCount++;
    E result = (E) queue[0];
    E x = (E) queue[s];
    queue[s] = null;
    if (s != 0)
        siftDown(0, x);  // 下沉操作
    return result;
}

下沉过程（siftDown）：

private void siftDown(int k, E x) {
    if (comparator != null)
        siftDownUsingComparator(k, x);
    else
        siftDownComparable(k, x);
}

private void siftDownComparable(int k, E x) {
    Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>)x;
    int half = size >>> 1;        // 只需检查非叶子节点
    while (k < half) {
        int child = (k << 1) + 1; // 左子节点
        Object c = queue[child];
        int right = child + 1;
        if (right < size &&
            ((Comparable<? super E>) c).compareTo((E) queue[right]) > 0)
            c = queue[child = right]; // 选择较小的子节点
        if (key.compareTo((E) c) <= 0)
            break;
        queue[k] = c;  // 子节点上移
        k = child;
    }
    queue[k] = key;  // 找到最终位置
}

重要特性

1. 动态扩容：

   • 初始容量为11
   • 扩容策略：小队列(<64)时双倍扩容，大队列时增长50%

2. 排序方式：

   • 默认自然顺序（最小堆）
   • 可通过Comparator自定义优先级顺序

3. 非线程安全：

   • 线程安全版本使用PriorityBlockingQueue

4. 时间复杂度：

   • 插入/删除：O(log n)
   • 查看队首：O(1)

使用示例

// 默认最小堆
PriorityQueue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<>();
minHeap.offer(5);
minHeap.offer(1);
minHeap.offer(3);
System.out.println(minHeap.poll()); // 输出1

// 自定义比较器实现最大堆
PriorityQueue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<>((a, b) -> b - a);
maxHeap.offer(5);
maxHeap.offer(1);
maxHeap.offer(3);
System.out.println(maxHeap.poll()); // 输出5

Java的优先级队列实现高效且灵活，能够满足大多数需要优先级调度的应用场景。