数据结构之PriorityQueue源码及特性分析 (大小根堆转换、扩容)

简介: 数据结构之PriorityQueue源码及特性分析 (大小根堆转换、扩容)

一、PriorityQueue的特性


Java集合框架中提供了PriorityQueue和PriorityBlockingQueue两种类型的优先级队列,PriorityQueue是线程不安全的,PriorityBlockingQueue是线程安全的。


1667917181634.jpg


关于PriorityQueue的使用要注意:


1. 使用时必须导入PriorityQueue所在的包,即:

import java.util.PriorityQueue;

2. PriorityQueue中放置的元素必须要能够比较大小,不能插入无法比较大小的对象,否则会抛出

ClassCastException异常

public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Student> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
        priorityQueue.offer(new Student(10));
    }
//这个时候虽然是不能比较的,但是此时运行也没有报错,那是因为此时只有一个对象,是不需要进行比较的
public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Student> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
        priorityQueue.offer(new Student(10));
        priorityQueue.offer(new Student(5));
    }
//但是此时运行就会报错了,因为此时这两个对象是无法进行比较的

此时有两个解决办法,一个是给比较器,一个是实现Comparable接口并重写compareTo方法。


此时我们选择用实现Comparable接口并重写compareTo方法:

class Student implements Comparable<Student>{
    public int age;
    public Student(int age){
        this.age = age;
    }
    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        return this.age - o.age;
    }
}

3. 不能插入null对象,否则会抛出NullPointerException

4. 没有容量限制,可以插入任意多个元素,其内部可以自动扩容

5. 插入和删除元素的时间复杂度为O(log2N)(log以2为底的N)

6. PriorityQueue底层使用了堆数据结构

7. PriorityQueue默认情况下是小堆---即每次获取到的元素都是最小的元素


二、PriorityQueue常用接口介绍


1.优先级队列的构造

构造器 功能介绍
PriorityQueue() 创建一个空的优先级队列,默认容量是11
PriorityQueue(int
initialCapacity)
创建一个初始容量为initialCapacity的优先级队列,注意:
initialCapacity不能小于1,否则会抛IllegalArgumentException异
PriorityQueue(Collection<?
extends E> c)
用一个集合来创建优先级队列


2.插入/删除/获取优先级最高的元素

函数名 功能介绍
boolean
offer(E e)
插入元素e,插入成功返回true,如果e对象为空,抛出NullPointerException异常,时间复杂度O(log2N)(log以2为底的

N),注意:空间不够时候会进行扩容

E peek() 获取优先级最高的元素,如果优先级队列为空,返回null
E poll() 移除优先级最高的元素并返回,如果优先级队列为空,返回null
int size() 获取有效元素的个数
void
clear()
清空
boolean
isEmpty()
检测优先级队列是否为空,空返回true


三、PriorityQueue源码分析


1.针对一下三行做源码分析(小根堆):

PriorityQueue<Student> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
        priorityQueue.offer(new Student(10));
        priorityQueue.offer(new Student(5));


PriorityQueue<Student> priorityQueue = new PriorityQueue<>();

这一行代码的源码分析如下:

1667917344213.jpg

priorityQueue.offer(new Student(10));

接下来我们看第一次offer 的源码:


1667917380368.jpg

priorityQueue.offer(new Student(5));

接下来我们看第二次offer的源码:

1667917398919.jpg


2. PriorityQueue默认是小根堆,如何变成大根堆呢?


可以通过修改比较规则,就可以变成大根堆。


有两种方式:


一是,通过上面我们的源码分析,可以修改比较规则,可以修改成为 < ;但是源码我们是修改不了的,那么我直接看第二中方式。


1667917408213.jpg


二是:在重写的comparaTo方法里面修改比较规则:


public int compareTo(Student o) {
        return this.age - o.age;
    }

1667917428675.jpg

 3. Integer数据类型是如何变成大根堆的?(自实现比较器)


第一步,先自实现比较器:


class IntComparator implements Comparator<Integer>{
    @Override
    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        //return o2 - o1;
        return o2.compareTo(o1);
    }
}

第二步,传参的时候传入比较器:

PriorityQueue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>(new IntComparator());

此时我们再次运行程序,就已经是大根堆了。


下面我们进行源码分析:


1667917462642.jpg


  4. PriorityQueue扩容的源码分析

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);
    }

如果容量小于64时,是按照oldCapacity的2倍方式扩容的

如果容量大于等于64,是按照oldCapacity的1.5倍方式扩容的

如果容量超过MAX_ARRAY_SIZE(2147483639),按照MAX_ARRAY_SIZE来进行扩容

1667917486185.jpg


四 、总结


1.当没有传入数组容量的时候,默认是11


2.当没有传入比较器的时候,传入的对象必须是可比较的,不然会报错


3.优先使用的是比较器来比较        


五、集合框架中PriorityQueue的比较方式


集合框架中的 PriorityQueue 底层使用堆结构,因此其内部的元素必须要能够比大小, PriorityQueue 采用了: Comparble和 Comparator 两种方式。

1. Comparble 是默认的内部比较方式,如果用户插入自定义类型对象时,该类对象必须要实现 Comparble 接口,并覆写compareTo 方法

2. 用户也可以选择使用比较器对象,如果用户插入自定义类型对象时,必须要提供一个比较器类,让该类实现 Comparator接口并覆写 compare 方法。

以下有三种比较方式的对比:

重写的方法 说明解释

Object.equals

因为所有类都是继承自Object 的,所以直接覆写即可,不过只能比较相等与

Comparable.compareTo

需要手动实现接口,侵入性比较强,但一旦实现,每次用该类都有顺序,属于内部顺序

Comparator.compare

需要实现一个比较器对象,对待比较类的侵入性弱,但对算法代码实现侵入性强


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