走进 JDK 之 PriorityQueue

引言

在 Java 集合框架中，PriorityQueue 是一个基于堆数据结构实现的优先级队列，它支持在元素入队时根据指定排序规则对元素进行排序，并保证出队时始终取出优先级最高的元素。本篇博文将带你深入了解 PriorityQueue 的内部实现和使用场景。

堆数据结构

堆是一种完全二叉树，其满足以下性质：

• 最大堆： 每个节点的值都大于或等于其左右子节点的值。
• 最小堆： 每个节点的值都小于或等于其左右子节点的值。

在 Java 中，PriorityQueue 默认实现最小堆，即队首元素始终为所有元素中的最小值。

PriorityQueue 的实现

PriorityQueue 使用数组来实现堆数据结构。它维护两个数组：

• 元素数组： 存储实际元素。
• 索引数组： 存储元素在元素数组中的索引。

PriorityQueue 通过索引数组来跟踪堆中的元素位置。当新元素入队时，它会首先插入到元素数组的末尾，然后调整索引数组以满足堆性质。

入队和出队操作

入队：

1. 将元素插入元素数组的末尾。
2. 调整索引数组以满足堆性质（上浮操作）。

出队：

1. 将队首元素（最小值）出队。
2. 将元素数组的最后一个元素移动到队首。
3. 调整索引数组以满足堆性质（下沉操作）。

使用场景

PriorityQueue 在各种场景中都有应用，例如：

• 事件队列： 管理需要按时间顺序执行的事件。
• 优先级调度： 为任务分配优先级，并按优先级执行。
• 贪心算法： 在每次操作中选择收益最大的元素。

代码示例

import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建最小堆优先级队列
        PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();

        // 入队元素
        queue.offer(10);
        queue.offer(5);
        queue.offer(15);
        queue.offer(2);

        // 打印出队元素
        while (!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.poll()); // 2 5 10 15
        }
    }
}

结论

PriorityQueue 是 Java 集合框架中一个强大的数据结构，它通过堆实现提供了高效的优先级队列操作。理解 PriorityQueue 的内部实现和使用场景对于编写高效和可维护的代码至关重要。