深入分析Java中的PriorityQueue底层实现与源码

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:IpPacketMyNetworkProxy

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。

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。

点击关注,第一时间了解华为云新鲜技术~

相关推荐
七星静香6 分钟前
laravel chunkById 分块查询 使用时的问题
java·前端·laravel
Jacob程序员7 分钟前
java导出word文件(手绘)
java·开发语言·word
ZHOUPUYU8 分钟前
IntelliJ IDEA超详细下载安装教程(附安装包)
java·ide·intellij-idea
stewie611 分钟前
在IDEA中使用Git
java·git
Elaine20239126 分钟前
06 网络编程基础
java·网络
G丶AEOM28 分钟前
分布式——BASE理论
java·分布式·八股
落落鱼201329 分钟前
tp接口 入口文件 500 错误原因
java·开发语言
想要打 Acm 的小周同学呀30 分钟前
LRU缓存算法
java·算法·缓存
镰刀出海32 分钟前
Recyclerview缓存原理
java·开发语言·缓存·recyclerview·android面试
阿伟*rui3 小时前
配置管理,雪崩问题分析,sentinel的使用
java·spring boot·sentinel