問題
（1）什麼是優先順序佇列？
（2）怎麼實現一個優先順序佇列？
（3）PriorityQueue是執行緒安全的嗎？
（4）PriorityQueue就有序的嗎？
簡介
優先順序佇列，是0個或多個元素的集合，集合中的每個元素都有一個權重值，每次出隊都彈出優先順序最大或最小的元素。
一般來說，優先順序佇列使用堆來實現。
還記得堆的相關知識嗎？連結直達【拜託，面試別再問我堆（排序）了！】。
那麼Java裡面是如何通過“堆”這個資料結構來實現優先順序佇列的呢？
讓我們一起來學習吧。
原始碼分析
主要屬性
// 預設容量
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
// 儲存元素的地方
transient Object[] queue; // non-private to simplify nested class access
// 元素個數
private int size = 0;
// 比較器
private final Comparator<? super E> comparator;
// 修改次數
transient int modCount = 0; // non-private to simplify nested class access
複製程式碼（1）預設容量是11；
（2）queue，元素儲存在陣列中，這跟我們之前說的堆一般使用陣列來儲存是一致的；
（3）comparator，比較器，在優先順序佇列中，也有兩種方式比較元素，一種是元素的自然順序，一種是通過比較器來比較；
（4）modCount，修改次數，有這個屬性表示PriorityQueue也是fast-fail的；
不知道fast-fail的，檢視這篇文章的彩蛋部分：【死磕 java集合之HashSet原始碼分析】。
入隊
入隊有兩個方法，add(E e)和offer(E e)，兩者是一致的，add(E e)也是呼叫的offer(E e)。
public boolean add(E e) {
return offer(e);
}
public boolean offer(E e) {
// 不支援null元素
if (e == null)
throw new NullPointerException();
modCount++;
// 取size
int i = size;
// 元素個數達到最大容量了，擴容
if (i >= queue.length)
grow(i + 1);
// 元素個數加1
size = i + 1;
// 如果還沒有元素
// 直接插入到陣列第一個位置
// 這裡跟我們之前講堆不一樣了
// java裡面是從0開始的
// 我們說的堆是從1開始的
if (i == 0)
queue[0] = e;
else
// 否則，插入元素到陣列size的位置，也就是最後一個元素的下一位
// 注意這裡的size不是陣列大小，而是元素個數
// 然後，再做自下而上的堆化
siftUp(i, e);
return true;
}
private void siftUp(int k, E x) {
// 根據是否有比較器，使用不同的方法
if (comparator != null)
siftUpUsingComparator(k, x);
else
siftUpComparable(k, x);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftUpComparable(int k, E x) {
Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>) x;
while (k > 0) {
// 找到父節點的位置
// 因為元素是從0開始的，所以減1之後再除以2
int parent = (k - 1) >>> 1;
// 父節點的值
Object e = queue[parent];
// 比較插入的元素與父節點的值
// 如果比父節點大，則跳出迴圈
// 否則交換位置
if (key.compareTo((E) e) >= 0)
break;
// 與父節點交換位置
queue[k] = e;
// 現在插入的元素位置移到了父節點的位置
// 繼續與父節點再比較
k = parent;
}
// 最後找到應該插入的位置，放入元素
queue[k] = key;
}
複製程式碼（1）入隊不允許null元素；
（2）如果陣列不夠用了，先擴容；
（3）如果還沒有元素，就插入下標0的位置；
（4）如果有元素了，就插入到最後一個元素往後的一個位置（實際並沒有插入哈）；
（5）自下而上堆化，一直往上跟父節點比較；
（6）如果比父節點小，就與父節點交換位置，直到出現比父節點大為止；
（7）由此可見，PriorityQueue是一個小頂堆。
擴容
private void grow(int minCapacity) {
// 舊容量
int oldCapacity = queue.length;
// Double size if small; else grow by 50%
// 舊容量小於64時，容量翻倍
// 舊容量大於等於64，容量只增加舊容量的一半
int newCapacity = oldCapacity + ((oldCapacity < 64) ?
(oldCapacity + 2) :
(oldCapacity >> 1));
// overflow-conscious code
// 檢查是否溢位
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 建立出一個新容量大小的新陣列並把舊陣列元素拷貝過去
queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
複製程式碼（1）當陣列比較小（小於64）的時候每次擴容容量翻倍；
（2）當陣列比較大的時候每次擴容只增加一半的容量；
出隊
出隊有兩個方法，remove()和poll()，remove()也是呼叫的poll()，只是沒有元素的時候丟擲異常。
public E remove() {
// 呼叫poll彈出隊首元素
E x = poll();
if (x != null)
// 有元素就返回彈出的元素
return x;
else
// 沒有元素就丟擲異常
throw new NoSuchElementException();
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E poll() {
// 如果size為0，說明沒有元素
if (size == 0)
return null;
// 彈出元素，元素個數減1
int s = --size;
modCount++;
// 佇列首元素
E result = (E) queue[0];
// 佇列末元素
E x = (E) queue[s];
// 將佇列末元素刪除
queue[s] = null;
// 如果彈出元素後還有元素
if (s != 0)
// 將佇列末元素移到佇列首
// 再做自上而下的堆化
siftDown(0, x);
// 返回彈出的元素
return result;
}
private void siftDown(int k, E x) {
// 根據是否有比較器，選擇不同的方法
if (comparator != null)
siftDownUsingComparator(k, x);
else
siftDownComparable(k, x);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private void siftDownComparable(int k, E x) {
Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>)x;
// 只需要比較一半就行了，因為葉子節點佔了一半的元素
int half = size >>> 1; // loop while a non-leaf
while (k < half) {
// 尋找子節點的位置，這裡加1是因為元素從0號位置開始
int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least
// 左子節點的值
Object c = queue[child];
// 右子節點的位置
int right = child + 1;
if (right < size &&
((Comparable<? super E>) c).compareTo((E) queue[right]) > 0)
// 左右節點取其小者
c = queue[child = right];
// 如果比子節點都小，則結束
if (key.compareTo((E) c) <= 0)
break;
// 如果比最小的子節點大，則交換位置
queue[k] = c;
// 指標移到最小子節點的位置繼續往下比較
k = child;
}
// 找到正確的位置，放入元素
queue[k] = key;
}
複製程式碼（1）將佇列首元素彈出；
（2）將佇列末元素移到佇列首；
（3）自上而下堆化，一直往下與最小的子節點比較；
（4）如果比最小的子節點大，就交換位置，再繼續與最小的子節點比較；
（5）如果比最小的子節點小，就不用交換位置了，堆化結束；
（6）這就是堆中的刪除堆頂元素；
取隊首元素
取隊首元素有兩個方法，element()和peek()，element()也是呼叫的peek()，只是沒取到元素時丟擲異常。
public E element() {
E x = peek();
if (x != null)
return x;
else
throw new NoSuchElementException();
}
public E peek() {
return (size == 0) ? null : (E) queue[0];
}
複製程式碼（1）如果有元素就取下標0的元素；
（3）如果沒有元素就返回null，element()丟擲異常；
總結
（1）PriorityQueue是一個小頂堆；
（2）PriorityQueue是非執行緒安全的；
（3）PriorityQueue不是有序的，只有堆頂儲存著最小的元素；
（4）入隊就是堆的插入元素的實現；
（5）出隊就是堆的刪除元素的實現；
（6）還不懂堆？看一看這篇文章【拜託，面試別再問我堆（排序）了！】。
彩蛋
（1）論Queue中的那些方法？
Queue是所有佇列的頂級介面，它裡面定義了一批方法，它們有什麼區別呢？
| 操作 | 丟擲異常 | 返回特定值 |
|---|---|---|
| 入隊 | add(e) | offer(e)——false |
| 出隊 | remove() | poll()——null |
| 檢查 | element() | peek()——null |
（2）為什麼PriorityQueue中的add(e)方法沒有做異常檢查呢？
因為PriorityQueue是無限增長的佇列，元素不夠用了會擴容，所以新增元素不會失敗。
歡迎關注我的公眾號“彤哥讀原始碼”，檢視更多原始碼系列文章, 與彤哥一起暢遊原始碼的海洋。
