java 高性能集合属性复制，Java集合-PriorityQueue详解
java 高性能集合属性复制，Java集合-PriorityQueue详解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)。通过上述三个公式，可以轻易计算出某个节点的父节点以及子节点的下标。这也就是为什么可以直接用数组来存储堆的原因。leftNo = parentNo*2 1rightNo = parentNo*2 2parentNo = (nodeNo-1)/2
Java中PriorityQueue通过二叉小顶堆实现，可以用一棵完全二叉树表示。本文从Queue接口函数出发，结合生动的图解，深入浅出地分析PriorityQueue每个操作的具体过程和时间复杂度，将让读者建立对PriorityQueue建立清晰而深入的认识。
总体介绍前面以Java ArrayDeque为例讲解了Stack和Queue，其实还有一种特殊的队列叫做PriorityQueue，即优先队列。优先队列的作用是能保证每次取出的元素都是队列中权值最小的（Java的优先队列每次取最小元素，C 的优先队列每次取最大元素）。这里牵涉到了大小关系，元素大小的评判可以通过元素本身的自然顺序（natural ordering），也可以通过构造时传入的比较器（Comparator，类似于C 的仿函数）。
Java中PriorityQueue实现了Queue接口，不允许放入null元素；其通过堆实现，具体说是通过完全二叉树（complete binary tree）实现的小顶堆（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），也就意味着可以通过数组来作为PriorityQueue的底层实现。
上图中我们给每个元素按照层序遍历的方式进行了编号，如果你足够细心，会发现父节点和子节点的编号是有联系的，更确切的说父子节点的编号之间有如下关系：
leftNo = parentNo*2 1
rightNo = parentNo*2 2
parentNo = (nodeNo-1)/2
通过上述三个公式，可以轻易计算出某个节点的父节点以及子节点的下标。这也就是为什么可以直接用数组来存储堆的原因。
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)。
主要方法剖析1）add()和offer()
add(E e)和offer(E e)的语义相同，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，后则则会返回false。对于PriorityQueue这两个方法其实没什么差别。
新加入的元素可能会破坏小顶堆的性质，因此需要进行必要的调整。
//offer(E e)
public boolean offer(E e) {
if (e == null)//不允许放入null元素
throw new NullPointerException();
modCount ;
int i = size;
if (i >= queue.length)
grow(i 1);//自动扩容
size = i 1;
if (i == 0)//队列原来为空，这是插入的第一个元素
queue[0] = e;
else
siftUp(i e);//调整
return true;
}
上述代码中，扩容函数grow()类似于ArrayList里的grow()函数，就是再申请一个更大的数组，并将原数组的元素复制过去，这里不再赘述。需要注意的是siftUp(int k E x)方法，该方法用于插入元素x并维持堆的特性。
//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)//调用比较器的比较方法
break;
queue[k] = e;
k = parent;
}
queue[k] = x;
}
新加入的元素x可能会破坏小顶堆的性质，因此需要进行调整。调整的过程为：从k指定的位置开始，将x逐层与当前点的parent进行比较并交换，直到满足x >= 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。
2）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。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。
代码也就非常简洁：
//peek()
public E peek() {
if (size == 0)
return null;
return (E) queue[0];//0下标处的那个元素就是最小的那个
}
3）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。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。
代码如下：
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;
}
上述代码首先记录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k指定的位置开始，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。
//siftDown()
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;
}
4）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。
具体代码如下：
//remove(Object o)
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;
}使用案例
1）创建一个PriorityQueue实例
import java.util.PriorityQueue;
public class CreatePriorityQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// Create a Priority Queue
PriorityQueue<Integer> numbers = new PriorityQueue<>();
// Add items to a Priority Queue (ENQUEUE)
numbers.add(750);
numbers.add(500);
numbers.add(900);
numbers.add(100);
// Remove items from the Priority Queue (DEQUEUE)
while (!numbers.isEmpty()) {
System.out.println(numbers.remove());
}
}
}
# Output
100
500
750
900
2）创建一个String类型的PriorityQueue实例
import java.util.PriorityQueue;
public class CreatePriorityQueueStringExample {
public static void main(String[] args) {
// Create a Priority Queue
PriorityQueue<String> namePriorityQueue = new PriorityQueue<>();
// Add items to a Priority Queue (ENQUEUE)
namePriorityQueue.add("Lisa");
namePriorityQueue.add("Robert");
namePriorityQueue.add("John");
namePriorityQueue.add("Chris");
namePriorityQueue.add("Angelina");
namePriorityQueue.add("Joe");
// Remove items from the Priority Queue (DEQUEUE)
while (!namePriorityQueue.isEmpty()) {
System.out.println(namePriorityQueue.remove());
}
}
}
# Output
Angelina
Chris
Joe
John
Lisa
Robert
3）使用自定义的Comparator
import java.util.Comparator;
import java.util.PriorityQueue;
public class PriorityQueueCustomComparatorExample {
public static void main(String[] args) {
// A custom comparator that compares two Strings by their length.
Comparator<String> stringLengthComparator = new Comparator<String>() {
@Override
public int compare(String s1 String s2) {
return s1.length() - s2.length();
}
};
/*
The above Comparator can also be created using lambda expression like this =>
Comparator<String> stringLengthComparator = (s1 s2) -> {
return s1.length() - s2.length();
};
Which can be shortened even further like this =>
Comparator<String> stringLengthComparator = Comparator.comparingInt(String::length);
*/
// Create a Priority Queue with a custom Comparator
PriorityQueue<String> namePriorityQueue = new PriorityQueue<>(stringLengthComparator);
// Add items to a Priority Queue (ENQUEUE)
namePriorityQueue.add("Lisa");
namePriorityQueue.add("Robert");
namePriorityQueue.add("John");
namePriorityQueue.add("Chris");
namePriorityQueue.add("Angelina");
namePriorityQueue.add("Joe");
// Remove items from the Priority Queue (DEQUEUE)
while (!namePriorityQueue.isEmpty()) {
System.out.println(namePriorityQueue.remove());
}
}
}
# Output
Joe
John
Lisa
Chris
Robert
Angelina
4）创建一个自定义类型的PriorityQueue实例
import java.util.Objects;
import java.util.PriorityQueue;
class Employee implements Comparable<Employee> {
private String name;
private double salary;
public Employee(String name double salary) {
this.name = name;
this.salary = salary;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public double getSalary() {
return salary;
}
public void setSalary(double salary) {
this.salary = salary;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
if (this == o) return true;
if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
Employee employee = (Employee) o;
return Double.compare(employee.salary salary) == 0 &&
Objects.equals(name employee.name);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(name salary);
}
@Override
public String toString() {
return "Employee{"
"name='" name '\''
" salary=" salary
'}';
}
// Compare two employee objects by their salary
@Override
public int compareTo(Employee employee) {
if(this.getSalary() > employee.getSalary()) {
return 1;
} else if (this.getSalary() < employee.getSalary()) {
return -1;
} else {
return 0;
}
}
}
public class PriorityQueueUserDefinedObjectExample {
public static void main(String[] args) {
/*
The requirement for a PriorityQueue of user defined objects is that
1. Either the class should implement the Comparable interface and provide
the implementation for the compareTo() function.
2. Or you should provide a custom Comparator while creating the PriorityQueue.
*/
// Create a PriorityQueue
PriorityQueue<Employee> employeePriorityQueue = new PriorityQueue<>();
// Add items to the Priority Queue
employeePriorityQueue.add(new Employee("Rajeev" 100000.00));
employeePriorityQueue.add(new Employee("Chris" 145000.00));
employeePriorityQueue.add(new Employee("Andrea" 115000.00));
employeePriorityQueue.add(new Employee("Jack" 167000.00));
/*
The compareTo() method implemented in the Employee class is used to determine
in what order the objects should be dequeued.
*/
while (!employeePriorityQueue.isEmpty()) {
System.out.println(employeePriorityQueue.remove());
}
}
}
# Output
Employee{name='Rajeev' salary=100000.0}
Employee{name='Andrea' salary=115000.0}
Employee{name='Chris' salary=145000.0}
Employee{name='Jack' salary=167000.0}
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转载自：
https://www.cnblogs.com/Elliott-Su-Faith-change-our-life/p/7472265.html
https://www.jianshu.com/p/595d3d2c02d2
