Java中PriorityQueue通過二叉小頂堆實現，可以用一棵完全二叉樹表示。本文從Queue接口函數出發，結合生動的圖解，深入淺出地分析PriorityQueue每個操作的具體過程和時間復雜度，將讓讀者建立對PriorityQueue建立清晰而深入的認識。

前面以JavaArrayDeque為例講解了Stack和Queue，其實還有一種特殊的隊列叫做PriorityQueue，即優先隊列。優先隊列的作用是能保證每次取出的元素都是隊列中權值最小的（Java的優先隊列每次取最小元素，C++的優先隊列每次取最大元素）。這里牽涉到了大小關系，元素大小的評判可以通過元素本身的自然順序（natural ordering），也可以通過構造時傳入的比較器（Comparator，類似于C++的仿函數）。

Java中PriorityQueue實現了Queue接口，不允許放入null元素；其通過堆實現，具體說是通過完全二叉樹（complete binary tree）實現的小頂堆（任意一個非葉子節點的權值，都不大于其左右子節點的權值），也就意味著可以通過數組來作為PriorityQueue的底層實現。

上圖中我們給每個元素按照層序遍歷的方式進行了編號，如果你足夠細心，會發現父節點和子節點的編號是有聯系的，更確切的說父子節點的編號之間有如下關系：

leftNo = parentNo*2+1

rightNo = parentNo*2+2

parentNo = (nodeNo-1)/2

通過上述三個公式，可以輕易計算出某個節點的父節點以及子節點的下標。這也就是為什么可以直接用數組來存儲堆的原因。

PriorityQueue的peek()和element操作是常數時間，add(),offer(), 無參數的remove()以及poll()方法的時間復雜度都是log(N)。

add()和offer()

add(E e)和offer(E e)的語義相同，都是向優先隊列中插入元素，只是Queue接口規定二者對插入失敗時的處理不同，前者在插入失敗時拋出異常，后則則會返回false。對于PriorityQueue這兩個方法其實沒什么差別。

新加入的元素可能會破壞小頂堆的性質，因此需要進行必要的調整。

//offer(E e)public boolean offer(E e) { if (e == null)//不允許放入null元素 throw new NullPointerException(); modCount++; int i = size; if (i >= queue.length) grow(i + 1);//自動擴容 size = i + 1; if (i == 0)//隊列原來為空，這是插入的第一個元素 queue[0] = e; else siftUp(i, e);//調整 return true;}

上述代碼中，擴容函數grow()類似于ArrayList里的grow()函數，就是再申請一個更大的數組，并將原數組的元素復制過去，這里不再贅述。需要注意的是siftUp(int k, E x)方法，該方法用于插入元素x并維持堆的特性。

//siftUp()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)//調用比較器的比較方法 break; queue[k] = e; k = parent; } queue[k] = x;}

新加入的元素x可能會破壞小頂堆的性質，因此需要進行調整。調整的過程為：從k指定的位置開始，將x逐層與當前點的parent進行比較并交換，直到滿足x >= queue[parent]為止。注意這里的比較可以是元素的自然順序，也可以是依靠比較器的順序。

element()和peek()

element()和peek()的語義完全相同，都是獲取但不刪除隊首元素，也就是隊列中權值最小的那個元素，二者唯一的區別是當方法失敗時前者拋出異常，后者返回null。根據小頂堆的性質，堆頂那個元素就是全局最小的那個；由于堆用數組表示，根據下標關系，0下標處的那個元素既是堆頂元素。所以直接返回數組0下標處的那個元素即可。

代碼也就非常簡潔：

//peek()public E peek() { if (size == 0) return null; return (E) queue[0];//0下標處的那個元素就是最小的那個}

remove()和poll()

remove()和poll()方法的語義也完全相同，都是獲取并刪除隊首元素，區別是當方法失敗時前者拋出異常，后者返回null。由于刪除操作會改變隊列的結構，為維護小頂堆的性質，需要進行必要的調整。

代碼如下：

public E poll() { if (size == 0) return null; int s = --size; modCount++; E result = (E) queue[0];//0下標處的那個元素就是最小的那個 E x = (E) queue[s]; queue[s] = null; if (s != 0) siftDown(0, x);//調整 return result;}

上述代碼首先記錄0下標處的元素，并用最后一個元素替換0下標位置的元素，之后調用siftDown()方法對堆進行調整，最后返回原來0下標處的那個元素（也就是最小的那個元素）。重點是siftDown(int k, E x)方法，該方法的作用是從k指定的位置開始，將x逐層向下與當前點的左右孩子中較小的那個交換，直到x小于或等于左右孩子中的任何一個為止。

//siftDown()private void siftDown(int k, E x) { int half = size >>> 1; while (k < half) { //首先找到左右孩子中較小的那個，記錄到c里，并用child記錄其下標 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取代原來的值 k = child; } queue[k] = x;}

remove(Object o)

remove(Object o)方法用于刪除隊列中跟o相等的某一個元素（如果有多個相等，只刪除一個），該方法不是Queue接口內的方法，而是Collection接口的方法。由于刪除操作會改變隊列結構，所以要進行調整；又由于刪除元素的位置可能是任意的，所以調整過程比其它函數稍加繁瑣。具體來說，remove(Object o)可以分為2種情況：1. 刪除的是最后一個元素。直接刪除即可，不需要調整。2. 刪除的不是最后一個元素，從刪除點開始以最后一個元素為參照調用一次siftDown()即可。此處不再贅述。

具體代碼如下：

//remove(Object o)public boolean remove(Object o) { //通過遍歷數組的方式找到第一個滿足o.equals(queue[i])元素的下標 int i = indexOf(o); if (i == -1) return false; int s = --size; if (s == i) //情況1 queue[i] = null; else { E moved = (E) queue[s]; queue[s] = null; siftDown(i, moved);//情況2 ...... } return true;}

到此這篇關于詳解JAVA中priorityqueue的具體使用的文章就介紹到這了,更多相關JAVA priorityqueue內容請搜索好吧啦網以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持好吧啦網！