本文分享自華為雲社群《滾雪球學Java(70)：深入理解Java中的PriorityQueue底層實現與原始碼分析》，作者： bug菌。
環境說明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8
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前言
PriorityQueue是Java中一個非常常用的資料結構，它可以實現基於優先順序的排序，常用於任務排程、事件處理等場景。本文將深入探討Java中PriorityQueue的底層實現與原始碼分析，幫助讀者更好地理解PriorityQueue的內部原理。
摘要
本文將從PriorityQueue的定義、特性入手，逐步分析其底層實現、原始碼解析以及應用場景案例、優缺點分析等方面，全面深入地理解PriorityQueue。
PriorityQueue
概述
PriorityQueue的定義與特性
在Java中，PriorityQueue是一個優先順序佇列，它是基於陣列實現的，但是其中的元素不是按照插入順序排列，而是按照元素的優先順序進行排序。你可以將任意型別的物件插入PriorityQueue中，並且PriorityQueue會按照元素的自然順序或者你自己定義的優先順序順序進行排序。
PriorityQueue是一個無界佇列，即佇列的容量可以無限擴充。它是執行緒不安全的，不支援null元素。預設情況下，PriorityQueue是自然排序，也就是小根堆，也可以透過Comparator介面來指定元素的排序方式。
PriorityQueue的底層實現
PriorityQueue是基於陣列實現的，它的底層資料結構是一個小根堆。小根堆是一種完全二叉樹，滿足一個性質，即每個節點的值都小於或等於它的左右子節點的值。
在PriorityQueue中，陣列的第一個元素是堆頂，也就是優先順序最高的元素。每次插入一個元素時，PriorityQueue會先將元素新增到陣列末尾，然後透過上浮操作來維護小根堆的性質。每次刪除堆頂元素時，PriorityQueue會先將陣列末尾元素移動到堆頂，然後透過下沉操作來維護小根堆的性質。
原始碼解析
PriorityQueue的建構函式
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有四個建構函式：預設建構函式、指定初始化容量的建構函式、指定Comparator的建構函式和同時指定初始化容量與Comparator的建構函式。
當不指定初始化容量和Comparator時，將會使用預設值。預設容量為11，Comparator為null。
如下是部分原始碼截圖：
新增元素
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); }
新增元素時，會先判斷佇列是否已滿，如果已滿則透過grow()方法進行擴容。接著會將元素新增到陣列末尾，然後透過siftUp()方法來維護小根堆的性質。
如果指定了Comparator，則透過siftUpUsingComparator()方法來維護小根堆的性質；否則透過siftUpComparable()方法維護小根堆的性質。這裡的siftUp()方法還是比較關鍵的，它是用來上浮元素，維護小根堆的性質的。
刪除元素
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); }
刪除元素時，會先判斷佇列是否為空。如果不為空，就將堆頂元素取出作為返回值，然後將陣列末尾的元素移動到堆頂，透過siftDown()方法來維護小根堆的性質。
如果指定了Comparator，則透過siftDownUsingComparator()方法來維護小根堆的性質；否則透過siftDownComparable()方法維護小根堆的性質。
擴充：
這段程式碼是Java中PriorityQueue類中的poll()方法的實現。poll()方法用於從佇列中取出並刪除佇列頭部的元素，如果佇列為空則返回null。
該方法首先檢查佇列是否為空，如果為空則返回null。否則，將佇列中的元素個數減1，更新modCount屬性表示這次操作改變了佇列結構，將佇列頭部的元素用變數result儲存。接著，將佇列中最後一個元素用變數x儲存，並將佇列中最後一個元素置為null。若佇列還有元素，呼叫siftDown()方法將變數x與佇列中元素重新排序，確保佇列滿足小根堆的性質。最後，返回變數result，即佇列中被刪除的元素。
在siftDown()方法中，首先判斷comparator是否為null。如果不為null，則呼叫siftDownUsingComparator()方法，否則呼叫siftDownComparable()方法。這兩個方法都是用來重建小根堆的，不同的是，siftDownUsingComparator()方法透過比較器來實現排序，而siftDownComparable()方法則透過元素的自然順序來實現排序。
應用場景案例
任務排程
假設我們需要實現一個任務排程器，能夠按照任務的優先順序來執行任務。我們可以將任務按照優先順序新增到PriorityQueue中，然後按照佇列中任務的順序依次執行。
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(); } } }
分析程式碼：
這段程式碼定義了一個Task類和一個MyTaskScheduler類，用於實現任務排程。Task類包含了一個優先順序和一個Runnable物件，用於儲存待執行的任務和它的優先順序。MyTaskScheduler類包含了一個優先佇列，用於儲存所有的任務，並且包括了兩個方法：schedule()方法用於將任務加入到佇列中，run()方法則用於執行佇列中的所有任務。
Task類實現了Comparable介面，重寫了compareTo()方法，透過比較任務的優先順序，來判斷哪個任務先執行。MyTaskScheduler類使用了Java自帶的PriorityQueue優先佇列，保證了任務的執行順序是按照優先順序從高到低的順序執行。在run()方法中，使用一個while迴圈，不斷從佇列中取出優先順序最高的任務，直到佇列為空。對於每個任務，呼叫它的run()方法來執行任務邏輯。
這段程式碼可以用於實現多個任務的排程，透過設定不同的優先順序，來控制不同任務的執行順序。同時，使用優先佇列可以保證任務按照優先順序的順序執行，提高了任務執行的效率。
網路代理
假設我們需要實現一個網路代理，能夠按照ip包的優先順序來轉發資料。我們可以將ip包按照優先順序新增到PriorityQueue中，然後按照佇列中ip包的順序依次轉發資料。
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(); // 轉發資料 } } }
擴充：
上面是一個簡單的網路代理程式，其中包含兩個類：IpPacket和MyNetworkProxy。
IpPacket類表示一個IP資料包，包含資料的優先順序和實際的資料。實現了Comparable介面，用於優先順序的排序。
MyNetworkProxy類表示一個網路代理，透過維護一個優先順序佇列來實現資料包的轉發。send方法用於將資料包新增到佇列中，receive方法用於從佇列中取出優先順序最高的資料包並進行轉發。
在MyNetworkProxy中，當佇列不為空時，每次從佇列頭取出優先順序最高的資料包進行轉發，直到佇列為空。
這個程式中的優先順序佇列可以保證高優先順序的資料包先被髮送，以保證網路的效率和響應時間。
優缺點分析
優點
- PriorityQueue是一個非常高效的資料結構，它的插入和刪除元素的時間複雜度都是O(log n)。
- PriorityQueue可以實現基於優先順序的排序，適用於任務排程、事件處理等場景。
- PriorityQueue在擴容時可以節省空間，只需將陣列容量增加一半即可。
- PriorityQueue支援自然排序和指定Comparator來定義元素的排序方式。
缺點
- PriorityQueue是執行緒不安全的，不適合在多執行緒環境下使用。如果需要在多執行緒環境下使用，可以使用PriorityBlockingQueue。
- PriorityQueue不支援隨機訪問元素，只能訪問堆頂元素。如果需要隨機訪問元素，可以使用TreeSet。
類程式碼方法介紹
public
public class PriorityQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements java.io.Serializable { /** * 序列化 ID */ private static final long serialVersionUID = -7720805057305804111L; /** * 預設初始容量 */ private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11; /** * 底層陣列，用於儲存堆元素 */ transient Object[] queue; /** * 陣列中元素的數量 */ private int size = 0; /** * 比較器，用於確定堆中元素的順序 */ private final Comparator<? super E> comparator; /** * 修改次數，用於判斷在迭代過程中堆是否發生了修改 */ transient int modCount = 0; /** * 構造一個初始容量為11的PriorityQueue，元素順序按照自然順序排列 */ public PriorityQueue() { this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null); } /** * 構造一個指定初始容量的PriorityQueue，元素順序按照自然順序排列 */ public PriorityQueue(int initialCapacity) { this(initialCapacity, null); } /** * 構造一個初始容量為11的PriorityQueue，元素順序按照指定比較器排列 */ public PriorityQueue(Comparator<? super E> comparator) { this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, comparator); } /** * 返回PriorityQueue的頭部元素，如果佇列為空，則返回null */ public E peek() { if (size == 0) { return null; } return (E) queue[0]; } /** * 返回PriorityQueue中元素的數量 */ public int size() { return size; } /** * 對元素進行排序，排序的規則由比較器決定 */ private void heapify() { for (int i = (size >>> 1) - 1; i >= 0; i--) { siftDown(i, (E) queue[i]); } } /** * 返回一個包含PriorityQueue中所有元素的陣列 */ @Override public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(queue, size); }
以上是Java中PriorityQueue類的部分原始碼。PriorityQueue是一個堆，可以儲存任意型別的元素，但是需要這些元素是可比較的，可以按照一定的順序進行排序。PriorityQueue實現了Queue介面，因此可以像佇列一樣進行新增和刪除元素，並且堆的性質保證了每次返回的元素都是最優的。
如下是部分原始碼截圖：
具體分析如下：
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PriorityQueue類是一個泛型類，使用類名後面的<E>表示。
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類中定義了一個序列化ID，一個底層陣列用於儲存堆元素，一個記錄陣列中元素數量的變數，一個記錄堆發生修改次數的變數，以及一個比較器。其中比較器用於判斷堆中元素的順序。
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類中定義了多個構造方法，可以建立一個初始容量為11的PriorityQueue，也可以指定初始容量和比較器。
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PriorityQueue類實現了Queue介面中的offer、peek和poll方法。其中offer方法用於將元素新增到PriorityQueue中，peek方法用於返回PriorityQueue的頭部元素，如果佇列為空，則返回null，poll方法用於刪除PriorityQueue的頭部元素，並返回該元素，如果佇列為空，則返回null。
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類中還定義了一個size方法，用於返回PriorityQueue中元素的數量。
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PriorityQueue類實現了Iterable介面，因此可以迭代PriorityQueue中的元素。在此基礎上，類中定義了一個Itr迭代器類，用於遍歷PriorityQueue中的元素。其中，由於堆不保證元素的順序，因此元素的順序是不確定的。
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類中還實現了一個使用指定的Collection構造PriorityQueue的方法，用於將一個Collection中的元素新增到PriorityQueue中。
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heapify方法用於對元素進行排序，排序的規則由比較器決定。
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toArray方法用於返回一個包含PriorityQueue中所有元素的陣列。其中，使用Arrays類的copyOf方法對底層陣列進行復制和擷取，以保證只返回PriorityQueue中的有效元素。
測試用例
下面是一個簡單的示例main函式，使用Java中的PriorityQueue實現一個整數優先順序佇列，並新增一些元素並列印結果：
測試程式碼演示
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("佇列中的元素(從小到大)："); while (!pq.isEmpty()) { System.out.print(pq.poll() + " "); } } }
測試結果
根據如上測試用例，本地測試結果如下，僅供參考，你們也可以自行修改測試用例或者新增更多的測試資料或測試方法，進行熟練學習以此加深理解。
輸出結果：
佇列中的元素(從小到大)： 1 2 3 5 10
在這個示例中，我們建立了一個PriorityQueue物件pq，並新增了5個整數元素。然後，我們使用poll()方法按照優先順序順序逐個彈出元素，並列印結果。注意，PriorityQueue預設使用自然順序（從小到大），因此我們不需要指定比較器。
實際執行結果如下：
測試程式碼分析
根據如上測試用例，在此我給大家進行深入詳細的解讀一下測試程式碼，以便於更多的同學能夠理解並加深印象。
如上測試用例演示了Java中的PriorityQueue（優先佇列）的用法。在主方法中，先建立了一個PriorityQueue物件pq，並向其中新增了五個整數元素（5，1，10，3，2）。然後透過while迴圈，從佇列中取出元素並列印，因為PriorityQueue預設是小根堆，所以列印出來的元素是從小到大排列的。最終輸出結果為：佇列中的元素(從小到大)：1 2 3 5 10
小結
本文透過對Java中PriorityQueue的定義、特性、底層實現及原始碼解析進行詳細分析，深入探討了PriorityQueue的內部原理。PriorityQueue是一種基於陣列實現的堆，它可以按照元素的優先順序進行排序，常用於任務排程、事件處理等場景。PriorityQueue底層是一個小根堆，在元素新增和刪除時，會透過上浮和下沉操作來維護小根堆的性質。同時，本文也介紹了PriorityQueue的應用場景案例以及優缺點分析，幫助讀者更好地理解PriorityQueue。
總之，PriorityQueue作為Java集合框架中的一個重要組成部分，對於Java開發者來說，是必不可少的知識點。讀者可以透過學習本文，加深對PriorityQueue的理解，從而更好地應用於實際開發中。
總結
本文從PriorityQueue的定義、特性和底層實現入手，深入剖析了Java中PriorityQueue的原始碼和應用場景案例，並對其進行了優缺點分析。PriorityQueue是一種非常高效的資料結構，可以實現基於優先順序的排序，適用於任務排程、事件處理等場景。但是需要注意的是，它是執行緒不安全的，不支援隨機訪問元素。在使用PriorityQueue時，需要根據實際情況選擇適合的資料結構和演算法來解決問題。
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