Java数据结构之优先级队列(PriorityQueue)-编程知识

1、概念

队列：是一种FIFO（First-In-First-Out）先进先出的数据结构，对应于生活中的排队的场景，

排在前面的人总是先通过，依次进行。

优先队列：是特殊的队列，从“优先”一词，可看出有“插队现象”（优先即比较大小）。比如送

进医院的患者，即便是按顺序到达的，生病更加严重的往往优先级也会更高。优先队列至少含有两

种操作的数据结构：

insert（插入），即将元素插入到优先队列中（入队）；
以及deleteMin（删除最小者），它的作用是找出、删除优先队列中的最小的元素（出队）。

PriorityQueue

JDK1.8 中的 PriorityQueue底层使用了堆这种数据结构，而堆实际就是在完全二叉树的基础

上进行了一些调整。

2、堆

堆严格意义上来说又叫二叉堆（Binary Heap），因为它的结构是一颗完全二叉树，堆一般分

为最大堆和最小堆。

堆的性质

堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值；
堆总是一棵完全二叉树。

堆的分类

大根堆	父亲节点的值大于孩子节点的值
小根堆	父亲节点的值小于孩子节点的值

数组表示堆

由于是完全二叉树，节点的索引之间有着一定的关系，故我们可以使用数组来存储二叉堆，具体如下：

如果从索引为0开始存储，则父亲和孩子节点的索引关系如下：

3、PriorityQueue

构造方法

构造方法	说明
PriorityQueue()	不带参数，默认容量为11
PriorityQueue(int initialCapacity)	参数为初始容量，该初始容量不能小于1
PriorityQueue(Collection<? extends E> c)	参数为一个集合

常用方法

方法	说明
boolean offer(E e)	插入元素e，返回是否插入成功，e为null，会抛异常
E peek()	获取堆（后面介绍堆）顶元素，如果队列为空，返回null
E poll()	删除堆顶元素并返回，如果队列为空，返回null
int size()	获取有效元素个数
void clear()	清空队列
boolean isEmpty()	判断队列是否为空

注意：

add方法：等同offer。

4、Top-k问题

即求数据中前k个最大或者最小元素，一般情况下数据量都会比较大。如果数据量大使用排序那种方法就不可取了，那么如何解决呢？

使用数据中前k个数据建堆
1. 求前k个最大，建小堆
2. 求前k个最小，建大堆
用剩余的元素依次与堆顶元素比较
1. 求前k个最大，若比堆顶元素大，则替换小堆堆顶元素
2. 求前k个最小，若比堆顶元素小，则替换大堆堆顶元素

代码示例

问题：从文件中获取前10名的学生。

学生类

package com.ybw.interview.file.simple;import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Getter;/*** 学生类** @author weixiansheng* @version V1.0* @className Student* @date 2023/11/28**/
@AllArgsConstructor
@Getter
public class Student {/*** 姓名** @author: weixiansheng* @date: 2023/11/28**/private String name;/*** 成绩** @author: weixiansheng* @date: 2023/11/28**/private Integer score;
}

获取top k数据

package com.ybw.interview.file.simple;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.BeforeEach;
import org.junit.jupiter.api.Test;import java.util.*;/*** 获取前10名学生** @author weixiansheng* @version V1.0* @className TopStudents* @date 2023/11/28**/
@Slf4j
public class TopStudents {public static final int TEN = 10;private Map<String, Integer> studentMap = new HashMap<>();/*** 初始化数据** @className TopStudents* @author weixiansheng* @date 2023/11/28* @version V1.0**/@BeforeEachpublic void init() {Random random = new Random();for (int i = 0; i < 100; i++) {studentMap.put("学生" + i, random.nextInt(100));}}/*** 打印前10名学生** @className TopStudents* @author weixiansheng* @date 2023/11/28* @version V1.0**/@Testpublic void printTopStudents() {//1、创建小顶堆PriorityQueue<Student> topStudents = new PriorityQueue<>(10, Comparator.comparingInt(Student::getScore));//2、构建前10名学生buildTopStudents(topStudents);//3、打印前10名学生for (int i = 0; i < TEN; i++) {Student student = topStudents.poll();log.info("{}:{}", student.getName(), student.getScore());}}/*** 构建前10名学生** @param topStudents* @methodName: buildTopStudents* @return: void* @author: weixiansheng* @date: 2023/11/28**/private void buildTopStudents(PriorityQueue<Student> topStudents) {studentMap.forEach((name, score) -> {if (topStudents.size() < TEN) {topStudents.add(new Student(name, score));} else if (score > topStudents.peek().getScore()) {topStudents.poll();topStudents.add(new Student(name, score));}});}
}

打印日志：

[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.519 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生59:92
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.520 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生46:92
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生28:93
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生80:94
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生21:94
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生71:95
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生75:95
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生87:95
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生82:97
[INFO ] 2023-11-28 15:41:44.521 [main] c.y.i.file.simple.TopStudents - 学生76:98

参考文章：

Java数据结构之优先级队列(PriorityQueue)用法详解_java_脚本之家

优先队列(PriorityQueue) - 简书