Java优先队列PriorityQueue

PriorityQueue，即优先队列。优先队列具有以下特性：每次出队操作，取出的元素都是整个队列值最小的，元素比较可以通过实现自定义的构造器（Comparator），并传入优先队列的构造函数实现。Java 的priorQueue 通过小顶堆（任意一个非叶子节点的权值，都不大于其左右子节点的权值）实现，并且继承了java的Queue接口，所以具有queue的部分特性。

下面介绍优先队列的常用函数

add(E e)和offer(E e)的语义相同，都是向优先队列中插入元素，前者失败时抛出异常，后者失败后返回false。

public boolean offer(E e) {

if (e == null)

        throw new NullPointerException();

    modCount++;

    int i = size;

    if (i >= queue.length)

        grow(i + 1);//扩容数组

    size = i + 1;

if (i == 0)//队列为空的情况

        queue[0] = e;

    else

        siftUp(i, e);//调整

    return true;

}

 

Grow（）函数就是申请一个更大的数组并复制过去，其中siftUp（）函数是在插入元素后进行调整，调整过程是和父节点进行比较，直到大于某一祖先节点，并交换。

private void siftUp(int k, E x) {

    while (k > 0) {

        int parent = (k - 1) >>> 1;//parentNo = (nodeNo-1)/2

        Object e = queue[parent];

        if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)

            break;

        queue[k] = e;

        k = parent;

    }

    queue[k] = x;

}

 

element()和peek()的语义是获取但不删除队首元素，也就是队列中权值最小的那个元素，二者唯一的区别是当方法失败时前者抛出异常，后者返回null。根据小顶堆的性质，直接返回数组中第一个元素。

remove()和poll()方法的语义也完全相同，都是获取并删除队首元素，区别是当方法失败时前者抛出异常，后者返回null。由于删除操作会改变队列的结构，为维护小顶堆的性质，需要进行必要的调整。

public E poll() {

    if (size == 0)

        return null;

    int s = --size;

    modCount++;

    E result = (E) queue[0];//0下标处的那个元素就是最小的那个

    E x = (E) queue[s];

    queue[s] = null;

    if (s != 0)

        siftDown(0, x);//调整

    return result;

}

 

siftDown(int k, E x)方法作用是从k指定的位置开始，将x逐层向下与左右孩子中较小的那个交换，直到x小于或等于左右孩子中的任何一个为止。

private void siftDown(int k, E x) {

    int half = size >>> 1;

    while (k < half) {

        //首先找到左右孩子中较小的那个，记录到c里，并用child记录其下标

        int child = (k << 1) + 1;//leftNo = parentNo*2+1

        Object c = queue[child];

        int right = child + 1;

        if (right < size &&

            comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0)

            c = queue[child = right];

        if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)

            break;

        queue[k] = c;//然后用c取代原来的值

        k = child;

    }

    queue[k] = x;

}

 

remove(Object o)方法用于删除队列中跟o相等的某一个元素（如果有多个相等，只删除一个），该方法是Collection接口的方法。由于删除操作会改变队列结构，所以要进行调整；删除元素的位置可能是任意的，具体来说分为2种情况：1. 删除的是最后一个元素。直接删除即可，不需要调整。2. 删除的不是最后一个元素，从删除点开始以最后一个元素为参照调用一次siftDown()。

public boolean remove(Object o) {

    //通过遍历数组的方式找到第一个满足o.equals(queue[i])元素的下标

    int i = indexOf(o);

    if (i == -1)

        return false;

    int s = --size;

    if (s == i) //情况1

        queue[i] = null;

    else {

        E moved = (E) queue[s];

        queue[s] = null;

        siftDown(i, moved);//情况2

        ......

    }

    return true;