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PriorityQueue源码解析

Coding的哔哔叨叨 2021-01-27
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在之前我们做堆排和数据流的中位数（LeetCode-295）的题目时，用到大顶堆、小顶堆等相关知识点，尤其是在数据流的中位数我们用到了PriorityQueue，今天这篇文章我们就PriorityQueue展开做一个详细的解析。

PriorityQueue介绍

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队列是遵循先进先出（First-In-First-Out）模式的，但有时需要在队列中基于优先级处理对象。
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。
Java中ProirityQueue通过二叉小顶堆实现，可以用一颗完全二叉树表示（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），也就意味着可以通过数组来作为PriorityQueue底层实现。

上图中，我们对每个元素进行了编号，认真观察可以 发现，父节点和子节点的编号存在一定关系，具体关系如下：

  • leftNo = parentNo*2+1
  • rightNo = parentNo*2+2
  • parentNo = (nodeNo-1)/2

通过上面三个公式，可以很轻易计算出某个节点的父节点及子节点在数组中的下标，这也是为什么可以用数组来存储堆的原因。

PriorityQueue重点方法

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PriorityQueue的peek()和element()操作是常数时间，add()、offer()，无参数的remove()以及poll()方法的时间复杂度都是log(N)。

  • add()和offer()

add(E e)和offer(E e)两个方法语义相同，都是向优先队列中插入元素，只是Queue接口规定二者对插入失败时的处理不同，前者在插入失败时抛出异常，后者会返回false。对于PriorityQueue这两个方法其实没什么差别。

新加入的元素e可能会破坏小顶堆的性质，因此需要进行必要的调整，调整的方法根据是否传入comparator有不同的实现，如下源码截图。

调整的过程为：从指定的位置k开始，将e逐层与当前点的parent进行比较并交换，直到满足e >= queue[parent]为止。注意这里的比较可以是元素的自然顺序，也可以是依靠比较器的顺序。

  • element()和peek()

element()和peek()的语义完全相同，都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；而且java8以后element()方法已经去掉了。
根据小顶堆的性质，堆顶那个元素就是全局最小的那个；由于堆用数组表示，根据下标关系，0下标处的那个元素既是堆顶元素。所以直接返回数组0下标处的那个元素即可，源码中也是这么实现的。

  • remove()和poll()

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；而且java8以后remove()方法已经去掉了。

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。

根据源码：poll()方法首先记录0下标处的元素，并用最后一个元素替换0下标位置的元素，之后调用siftDown()方法对堆进行调整，最后返回原来0下标处的那个元素（也就是最小的那个元素）。重点是siftDown(int k, E x)方法，该方法的作用是从指定的位置k开始，将x逐层向下与当前点的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。

  • remove(Object o)

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），该方法不是Queue接口内的方法，而是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；又由于删除元素的位置可能是任意的，所以调整过程比其它函数稍加繁琐。具体来说，remove(Object o)可以分为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()即可。此处不再赘述。

以上就是今天的全部内容，希望大家可以通过阅读源码有所收益。

不积跬步，无以至千里。

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谢谢支持哟 (*^__^*)

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