深入分析Java中的PriorityQueue底层实现与源码

华为云开发者联盟2024-03-19 11:31

本文分享自华为云社区《滚雪球学Java(70)：深入理解Java中的PriorityQueue底层实现与源码分析》，作者： bug菌。

复制代码 
环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

@[toc]

前言

PriorityQueue是Java中一个非常常用的数据结构，它可以实现基于优先级的排序，常用于任务调度、事件处理等场景。本文将深入探讨Java中PriorityQueue的底层实现与源码分析，帮助读者更好地理解PriorityQueue的内部原理。

摘要

本文将从PriorityQueue的定义、特性入手，逐步分析其底层实现、源码解析以及应用场景案例、优缺点分析等方面，全面深入地理解PriorityQueue。

PriorityQueue

概述

PriorityQueue的定义与特性

在Java中，PriorityQueue是一个优先级队列，它是基于数组实现的，但是其中的元素不是按照插入顺序排列，而是按照元素的优先级进行排序。你可以将任意类型的对象插入PriorityQueue中，并且PriorityQueue会按照元素的自然顺序或者你自己定义的优先级顺序进行排序。

PriorityQueue是一个无界队列，即队列的容量可以无限扩充。它是线程不安全的，不支持null元素。默认情况下，PriorityQueue是自然排序，也就是小根堆，也可以通过Comparator接口来指定元素的排序方式。

PriorityQueue的底层实现

PriorityQueue是基于数组实现的，它的底层数据结构是一个小根堆。小根堆是一种完全二叉树，满足一个性质，即每个节点的值都小于或等于它的左右子节点的值。

在PriorityQueue中，数组的第一个元素是堆顶，也就是优先级最高的元素。每次插入一个元素时，PriorityQueue会先将元素添加到数组末尾，然后通过上浮操作来维护小根堆的性质。每次删除堆顶元素时，PriorityQueue会先将数组末尾元素移动到堆顶，然后通过下沉操作来维护小根堆的性质。

源代码解析

PriorityQueue的构造函数

复制代码 
    public PriorityQueue() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
    }

    public PriorityQueue(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, null);
    }

    public PriorityQueue(Comparator<? super E> comparator) {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, comparator);
    }

    public PriorityQueue(int initialCapacity, Comparator<? super E> comparator) {
        this.comparator = comparator;
        this.queue = new Object[initialCapacity];
    }

PriorityQueue有四个构造函数：默认构造函数、指定初始化容量的构造函数、指定Comparator的构造函数和同时指定初始化容量与Comparator的构造函数。

当不指定初始化容量和Comparator时，将会使用默认值。默认容量为11，Comparator为null。

如下是部分源码截图：

添加元素

复制代码 
    public boolean add(E e) {
        return offer(e);
    }

    public boolean offer(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        modCount++;
        int i = size;
        if (i >= queue.length)
            grow(i + 1);
        size = i + 1;
        if (i == 0)
            queue[0] = e;
        else
            siftUp(i, e);
        return true;
    }

    private void siftUp(int k, E x) {
        if (comparator != null)
            siftUpUsingComparator(k, x);
        else
            siftUpComparable(k, x);
    }

添加元素时，会先判断队列是否已满，如果已满则通过grow()方法进行扩容。接着会将元素添加到数组末尾，然后通过siftUp()方法来维护小根堆的性质。

如果指定了Comparator，则通过siftUpUsingComparator()方法来维护小根堆的性质；否则通过siftUpComparable()方法维护小根堆的性质。这里的siftUp()方法还是比较关键的，它是用来上浮元素，维护小根堆的性质的。

删除元素

复制代码 
    public E poll() {
        if (size == 0)
            return null;
        int s = --size;
        modCount++;
        E result = (E) queue[0];
        E x = (E) queue[s];
        queue[s] = null;
        if (s != 0)
            siftDown(0, x);
        return result;
    }

    private void siftDown(int k, E x) {
        if (comparator != null)
            siftDownUsingComparator(k, x);
        else
            siftDownComparable(k, x);
    }

删除元素时，会先判断队列是否为空。如果不为空，就将堆顶元素取出作为返回值，然后将数组末尾的元素移动到堆顶，通过siftDown()方法来维护小根堆的性质。

如果指定了Comparator，则通过siftDownUsingComparator()方法来维护小根堆的性质；否则通过siftDownComparable()方法维护小根堆的性质。

拓展：

这段代码是Java中PriorityQueue类中的poll()方法的实现。poll()方法用于从队列中取出并删除队列头部的元素，如果队列为空则返回null。

该方法首先检查队列是否为空，如果为空则返回null。否则，将队列中的元素个数减1，更新modCount属性表示这次操作改变了队列结构，将队列头部的元素用变量result存储。接着，将队列中最后一个元素用变量x存储，并将队列中最后一个元素置为null。若队列还有元素，调用siftDown()方法将变量x与队列中元素重新排序，确保队列满足小根堆的性质。最后，返回变量result，即队列中被删除的元素。

在siftDown()方法中，首先判断comparator是否为null。如果不为null，则调用siftDownUsingComparator()方法，否则调用siftDownComparable()方法。这两个方法都是用来重建小根堆的，不同的是，siftDownUsingComparator()方法通过比较器来实现排序，而siftDownComparable()方法则通过元素的自然顺序来实现排序。

应用场景案例

任务调度

假设我们需要实现一个任务调度器，能够按照任务的优先级来执行任务。我们可以将任务按照优先级添加到PriorityQueue中，然后按照队列中任务的顺序依次执行。

复制代码 
public class Task implements Comparable<Task> {

    private int priority;
    private Runnable runnable;

    public Task(int priority, Runnable runnable) {
        this.priority = priority;
        this.runnable = runnable;
    }

    public void run() {
        runnable.run();
    }

    @Override
    public int compareTo(Task o) {
        return Integer.compare(priority, o.priority);
    }

}

public class MyTaskScheduler {

    private PriorityQueue<Task> queue;

    public MyTaskScheduler() {
        queue = new PriorityQueue<>();
    }

    public void schedule(Task task) {
        queue.offer(task);
    }

    public void run() {
        while (!queue.isEmpty()) {
            Task task = queue.poll();
            task.run();
        }
    }

}

分析代码：

这段代码定义了一个Task类和一个MyTaskScheduler类，用于实现任务调度。Task类包含了一个优先级和一个Runnable对象，用于存储待执行的任务和它的优先级。MyTaskScheduler类包含了一个优先队列，用于存储所有的任务，并且包括了两个方法：schedule()方法用于将任务加入到队列中，run()方法则用于执行队列中的所有任务。

Task类实现了Comparable接口，重写了compareTo()方法，通过比较任务的优先级，来判断哪个任务先执行。MyTaskScheduler类使用了Java自带的PriorityQueue优先队列，保证了任务的执行顺序是按照优先级从高到低的顺序执行。在run()方法中，使用一个while循环，不断从队列中取出优先级最高的任务，直到队列为空。对于每个任务，调用它的run()方法来执行任务逻辑。

这段代码可以用于实现多个任务的调度，通过设置不同的优先级，来控制不同任务的执行顺序。同时，使用优先队列可以保证任务按照优先级的顺序执行，提高了任务执行的效率。

网络代理

假设我们需要实现一个网络代理，能够按照ip包的优先级来转发数据。我们可以将ip包按照优先级添加到PriorityQueue中，然后按照队列中ip包的顺序依次转发数据。

复制代码 
public class IpPacket implements Comparable<IpPacket> {

    private int priority;
    private byte[] data;

    public IpPacket(int priority, byte[] data) {
        this.priority = priority;
        this.data = data;
    }

    public byte[] getData() {
        return data;
    }

    @Override
    public int compareTo(IpPacket o) {
        return Integer.compare(priority, o.priority);
    }

}

public class MyNetworkProxy {

    private PriorityQueue<IpPacket> queue;

    public MyNetworkProxy() {
        queue = new PriorityQueue<>();
    }

    public void send(IpPacket packet) {
        queue.offer(packet);
    }

    public void receive() {
        while (!queue.isEmpty()) {
            IpPacket packet = queue.poll();
            // 转发数据
        }
    }

}

拓展：

上面是一个简单的网络代理程序，其中包含两个类：IpPacket和MyNetworkProxy。

IpPacket类表示一个IP数据包，包含数据的优先级和实际的数据。实现了Comparable接口，用于优先级的排序。

MyNetworkProxy类表示一个网络代理，通过维护一个优先级队列来实现数据包的转发。send方法用于将数据包添加到队列中，receive方法用于从队列中取出优先级最高的数据包并进行转发。

在MyNetworkProxy中，当队列不为空时，每次从队列头取出优先级最高的数据包进行转发，直到队列为空。

这个程序中的优先级队列可以保证高优先级的数据包先被发送，以保证网络的效率和响应时间。

优缺点分析

优点

  • PriorityQueue是一个非常高效的数据结构，它的插入和删除元素的时间复杂度都是O(log n)。
  • PriorityQueue可以实现基于优先级的排序，适用于任务调度、事件处理等场景。
  • PriorityQueue在扩容时可以节省空间，只需将数组容量增加一半即可。
  • PriorityQueue支持自然排序和指定Comparator来定义元素的排序方式。

缺点

  • PriorityQueue是线程不安全的，不适合在多线程环境下使用。如果需要在多线程环境下使用，可以使用PriorityBlockingQueue。
  • PriorityQueue不支持随机访问元素，只能访问堆顶元素。如果需要随机访问元素，可以使用TreeSet。

类代码方法介绍

public

复制代码 
public class PriorityQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements java.io.Serializable {

    /**
     * 序列化 ID
     */
    private static final long serialVersionUID = -7720805057305804111L;

    /**
     * 默认初始容量
     */
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;

    /**
     * 底层数组，用于存储堆元素
     */
    transient Object[] queue;

    /**
     * 数组中元素的数量
     */
    private int size = 0;

    /**
     * 比较器，用于确定堆中元素的顺序
     */
    private final Comparator<? super E> comparator;

    /**
     * 修改次数，用于判断在迭代过程中堆是否发生了修改
     */
    transient int modCount = 0;

    /**
     * 构造一个初始容量为11的PriorityQueue，元素顺序按照自然顺序排列
     */
    public PriorityQueue() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
    }

    /**
     * 构造一个指定初始容量的PriorityQueue，元素顺序按照自然顺序排列
     */
    public PriorityQueue(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, null);
    }

    /**
     * 构造一个初始容量为11的PriorityQueue，元素顺序按照指定比较器排列
     */
    public PriorityQueue(Comparator<? super E> comparator) {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, comparator);
    }

    /**
     * 返回PriorityQueue的头部元素，如果队列为空，则返回null
     */
    public E peek() {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        return (E) queue[0];
    }

    /**
     * 返回PriorityQueue中元素的数量
     */
    public int size() {
        return size;
    }

    /**
     * 对元素进行排序，排序的规则由比较器决定
     */
    private void heapify() {
        for (int i = (size >>> 1) - 1; i >= 0; i--) {
            siftDown(i, (E) queue[i]);
        }
    }

    /**
     * 返回一个包含PriorityQueue中所有元素的数组
     */
    @Override
    public Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(queue, size);
    }

以上是Java中PriorityQueue类的部分源码。PriorityQueue是一个堆，可以存储任意类型的元素，但是需要这些元素是可比较的，可以按照一定的顺序进行排序。PriorityQueue实现了Queue接口，因此可以像队列一样进行添加和删除元素，并且堆的性质保证了每次返回的元素都是最优的。

如下是部分源码截图：

具体分析如下：

  1. PriorityQueue类是一个泛型类，使用类名后面的<E>表示。

  2. 类中定义了一个序列化ID，一个底层数组用于存储堆元素，一个记录数组中元素数量的变量，一个记录堆发生修改次数的变量，以及一个比较器。其中比较器用于判断堆中元素的顺序。

  3. 类中定义了多个构造方法，可以创建一个初始容量为11的PriorityQueue，也可以指定初始容量和比较器。

  4. PriorityQueue类实现了Queue接口中的offer、peek和poll方法。其中offer方法用于将元素添加到PriorityQueue中，peek方法用于返回PriorityQueue的头部元素，如果队列为空，则返回null，poll方法用于删除PriorityQueue的头部元素，并返回该元素，如果队列为空，则返回null。

  5. 类中还定义了一个size方法，用于返回PriorityQueue中元素的数量。

  6. PriorityQueue类实现了Iterable接口，因此可以迭代PriorityQueue中的元素。在此基础上，类中定义了一个Itr迭代器类，用于遍历PriorityQueue中的元素。其中，由于堆不保证元素的顺序，因此元素的顺序是不确定的。

  7. 类中还实现了一个使用指定的Collection构造PriorityQueue的方法，用于将一个Collection中的元素添加到PriorityQueue中。

  8. heapify方法用于对元素进行排序，排序的规则由比较器决定。

  9. toArray方法用于返回一个包含PriorityQueue中所有元素的数组。其中，使用Arrays类的copyOf方法对底层数组进行复制和截取，以保证只返回PriorityQueue中的有效元素。

测试用例

下面是一个简单的示例main函数，使用Java中的PriorityQueue实现一个整数优先级队列，并添加一些元素并打印结果：

测试代码演示

复制代码 
package com.demo.javase.day70;

import java.util.PriorityQueue;

/**
 * @Author bug菌
 * @Date 2023-11-06 16:08
 */
public class PriorityQueueTest {

    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<>();
        pq.add(5);
        pq.add(1);
        pq.add(10);
        pq.add(3);
        pq.add(2);

        System.out.println("队列中的元素(从小到大)：");
        while (!pq.isEmpty()) {
            System.out.print(pq.poll() + " ");
        }
    }
}

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

输出结果：

复制代码 
队列中的元素(从小到大)：
1 2 3 5 10

在这个示例中，我们创建了一个PriorityQueue对象pq，并添加了5个整数元素。然后，我们使用poll()方法按照优先级顺序逐个弹出元素，并打印结果。注意，PriorityQueue默认使用自然顺序（从小到大），因此我们不需要指定比较器。

实际执行结果如下：

测试代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

如上测试用例演示了Java中的PriorityQueue（优先队列）的用法。在主方法中，先创建了一个PriorityQueue对象pq，并向其中添加了五个整数元素（5，1，10，3，2）。然后通过while循环，从队列中取出元素并打印，因为PriorityQueue默认是小根堆，所以打印出来的元素是从小到大排列的。最终输出结果为：队列中的元素(从小到大)：1 2 3 5 10

小结

本文通过对Java中PriorityQueue的定义、特性、底层实现及源码解析进行详细分析，深入探讨了PriorityQueue的内部原理。PriorityQueue是一种基于数组实现的堆，它可以按照元素的优先级进行排序，常用于任务调度、事件处理等场景。PriorityQueue底层是一个小根堆，在元素添加和删除时，会通过上浮和下沉操作来维护小根堆的性质。同时，本文也介绍了PriorityQueue的应用场景案例以及优缺点分析，帮助读者更好地理解PriorityQueue。

总之，PriorityQueue作为Java集合框架中的一个重要组成部分，对于Java开发者来说，是必不可少的知识点。读者可以通过学习本文，加深对PriorityQueue的理解，从而更好地应用于实际开发中。

总结

本文从PriorityQueue的定义、特性和底层实现入手，深入剖析了Java中PriorityQueue的源码和应用场景案例，并对其进行了优缺点分析。PriorityQueue是一种非常高效的数据结构，可以实现基于优先级的排序，适用于任务调度、事件处理等场景。但是需要注意的是，它是线程不安全的，不支持随机访问元素。在使用PriorityQueue时，需要根据实际情况选择适合的数据结构和算法来解决问题。

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