JCIP-10-优先级队列 Priority Queue

相关学习

优先级队列

二叉堆

堆排序

延迟队列

Q

• 是什么？

• 怎么用

• 注意事项？

• 源码

优先级队列

我们知道队列是遵循先进先出（First-In-First-Out）模式的，但有些时候需要在队列中基于优先级处理对象。举个例子，比方说我们有一个每日交易时段生成股票报告的应用程序，需要处理大量数据并且花费很多处理时间。客户向这个应用程序发送请求时，实际上就进入了队列。我们需要首先处理优先客户再处理普通用户。在这种情况下，Java的PriorityQueue(优先队列)会很有帮助。

PriorityQueue类在Java1.5中引入并作为 Java Collections Framework 的一部分。PriorityQueue是基于优先堆的一个无界队列，这个优先队列中的元素可以默认自然排序或者通过提供的Comparator（比较器）在队列实例化的时排序。

优先队列不允许空值，而且不支持non-comparable（不可比较）的对象，比如用户自定义的类。优先队列要求使用Java Comparable和Comparator接口给对象排序，并且在排序时会按照优先级处理其中的元素。

优先队列的头是基于自然排序或者Comparator排序的最小元素。如果有多个对象拥有同样的排序，那么就可能随机地取其中任意一个。当我们获取队列时，返回队列的头对象。

优先队列的大小是不受限制的，但在创建时可以指定初始大小。当我们向优先队列增加元素的时候，队列大小会自动增加。

PriorityQueue是非线程安全的，所以Java提供了PriorityBlockingQueue（实现BlockingQueue接口）用于Java多线程环境。

我们有一个用户类Customer，它没有提供任何类型的排序。当我们用它建立优先队列时，应该为其提供一个比较器对象。

注意

当您使用迭代器时，PriorityQueue 类不保证元素的任何顺序。

它的toString()方法使用它的迭代器给你的元素的字符串表示。

以下代码显示如何使用 Comparator 对象为ComparablePerson列表创建优先级队列。

入门案例

演示如何使用 priority queue

代码

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;
    }
 
}

• PriorityQueueExample.java

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) {
 
        //优先队列自然排序示例
        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);
        }
 
        //优先队列使用示例
        Queue<Customer> customerPriorityQueue = new PriorityQueue<>(7, idComparator);
        addDataToQueue(customerPriorityQueue);
 
        pollDataFromQueue(customerPriorityQueue);
 
    }
 
    //匿名Comparator实现
    public static Comparator<Customer> idComparator = new Comparator<Customer>(){
 
        @Override
        public int compare(Customer c1, Customer c2) {
            return (int) (c1.getId() - c2.getId());
        }
    };
 
    //用于往队列增加数据的通用方法
    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));
        }
    }
 
    //用于从队列取数据的通用方法
    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());
        }
    }
 
}

优先级队列源码解析

类的定义

public class PriorityQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements java.io.Serializable {}

基础属性

java version “1.8.0_191”

private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;

/**
 * Priority queue represented as a balanced binary heap: the two
 * children of queue[n] are queue[2*n+1] and queue[2*(n+1)].  The
 * priority queue is ordered by comparator, or by the elements'
 * natural ordering, if comparator is null: For each node n in the
 * heap and each descendant d of n, n <= d.  The element with the
 * lowest value is in queue[0], assuming the queue is nonempty.
 */
transient Object[] queue; // non-private to simplify nested class access

/**
 * The number of elements in the priority queue.
 */
private int size = 0;

/**
 * The comparator, or null if priority queue uses elements'
 * natural ordering.
 */
private final Comparator<? super E> comparator;

/**
 * The number of times this priority queue has been
 * <i>structurally modified</i>.  See AbstractList for gory details.
 */
transient int modCount = 0; // non-private to simplify nested class access

构造器

构造器大同小异，调用了公共的初始化方法。

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;
}

初始化建立一个小顶堆，就是使用

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

其中

/**
 * Establishes the heap invariant (described above) in the entire tree,
 * assuming nothing about the order of the elements prior to the call.
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
private void heapify() {
    for (int i = (size >>> 1) - 1; i >= 0; i--)
        siftDown(i, (E) queue[i]);
}

核心调整过程

调整，使数据满足小顶堆的结构。

首先介绍两个调整方式siftUp和siftDown

siftDown

在给定初始化元素的时候，要调整元素，使其满足最小堆的结构性质。因此不停地从上到下将元素x的键值与孩子比较并做交换，直到找到元素x的键值小于等于孩子的键值（即保证它比其左右结点值小），或者是下降到叶子节点为止。

例如如下的示意图，调整9这个节点：

private void siftDownComparable(int k, E x) {
  Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>)x;
  int half = size >>> 1;    // size/2是第一个叶子结点的下标
  //只要没到叶子节点
  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个
    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 每次新增加一个元素的时候是将新元素插入对尾的。

因此，应该与siftDown有同样的调整过程，只不过是从下（叶子）往上调整。

例如如下的示意图，填加key为3的节点：

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

扩容

从实例成员可以看出，PriorityQueue维护了一个Object[], 因此它的扩容方式跟顺序表ArrayList相差不多。

/**
 * Increases the capacity of the array.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
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);
}

参考资料

http://www.importnew.com/6932.html

《java 并发编程的艺术》

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• Q
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  • 注意
• 入门案例
  • 代码
• 优先级队列源码解析
  • 类的定义
  • 基础属性
  • 构造器
  • 核心调整过程
    • siftDown
    • siftUp
  • 扩容
• 参考资料