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Java集合--Queue(Java中实现1)

JAVA 集合队列数组队列

2023-03-02 10:27:27 时间

# Java集合–Queue(Java中实现1) #

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在Java中，ArrayDeque、LinkedList、PriorityQueue等类实现了Queue接口，模拟了队列的数据结构。

其中，PriorityQueue是Queue直接子类实现，在原有基础上实现了元素的排序功能。

除此之外，Queue还有一个子接口–Deque，对Queue进行了扩展，定义了头尾操作功能，既可在队头添加(删除)元素，也可在队尾添加(删除)元素，俗称“双端队列”。

接下来，我们来具体介绍下这几个实现类。

#### 1.2.1 Queue源码（基于JDK1.7.0\_45） ####

在说Queue实现类之前，我们首先来了解下Queue到底提供了哪些功能！

//接口Queue：
    public interface Queue<E> extends Collection<E> { 
        //将指定元素插入到队列的尾部（队列满了话，会抛出异常）
        boolean add(E e);
    
        //将指定元素插入此队列的尾部(队列满了话，会返回false)
        boolean offer(E e);
    
        /返回取队列头部的元素，并删除该元素(如果队列为空，则抛出异常)
        E remove();
    
        //返回队列头部的元素，并删除该元素(如果队列为空，则返回null)
        E poll();
    
        //返回队列头部的元素,不删除该元素(如果队列为空，则抛出异常)
        E element();
    
        //返回队列头部的元素，不删除该元素(如果队列为空，则返回null)
        E peek();
    }

在Queue源码中，定义了队列的基本操作–在队尾插入元素，在队头获取(删除)元素；

#### 1.2.2 PriorityQueue源码（基于JDK1.7.0\_45） ####

作为Queue的直接子类，PriorityQueue实现了Queue定义的方法。

不过，又与传统的队列不相。传统队列实现了“先进先出”数据模型，而PriorityQueue则实现了最小的元素优先出队，剩余元素依次按照大小顺序出队。

这就是所谓的“优先级队列”—元素按照任意的顺序插入，却总是按照顺序进行输出；每次从优先队列中取出来的元素要么是最大值，要么是最小值。接下来，我们来看下PriorityQueue具体是如何实现的：

PriorityQueue成员变量和构造方法：

public class PriorityQueue<E> extends AbstractQueue<E>
            implements java.io.Serializable { 
    
        private static final long serialVersionUID = -7720805057305804111L;
    
        //默认初始化数组大小：
        private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
    
        //队列底层数据结构：数组
        private transient Object[] queue;
    
        //队列长度：
        private int size = 0;
    
        //实现元素排序的比较器：
        private final Comparator<? super E> comparator;
    
        //对queue的操作次数：
        private transient int modCount = 0;
    
        //默认构造函数：
        public PriorityQueue() { 
            this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
        }
    
        //可设置队列长度的构造函数：
        public PriorityQueue(int initialCapacity) { 
            this(initialCapacity, null);
        }
    
        //可设置队列长度、元素比较器的构造函数：
        public PriorityQueue(int initialCapacity,
                             Comparator<? super E> comparator) { 
            if (initialCapacity < 1)
                throw new IllegalArgumentException();
            this.queue = new Object[initialCapacity];
            this.comparator = comparator;
        }
    
        private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    }

PriorityQueue新增元素：

//队列添加元素，底层调用offer:插入失败抛出异常
        public boolean add(E e) { 
            return offer(e);
        }
    
        //队列添加元素: 插入失败返回false
        public boolean offer(E e) { 
            //不支持添加为null的元素：
            if (e == null)
                throw new NullPointerException();
    
            //队列操作数+1：
            modCount++;
            int i = size;
    
            //队列长度 >= 数组长度时，扩容：
            if (i >= queue.length)
                grow(i + 1);
    
            //队列长度+1
            size = i + 1;
    
            //i==0，在数组角标为0处插入第一个元素：
            if (i == 0)
                queue[0] = e;
            else
                //插入的不是第一个元素：
                siftUp(i, e);
            return true;
        }
    
        //对队列底层数组扩容：
        private void grow(int minCapacity) { 
            //现阶段数组长度：
            int oldCapacity = queue.length;
            
            //计算新数组的长度：
            // 如果 现阶段数组长度<64，则扩容为现阶段长度的2倍+2；
            // 如果 现阶段数组>=64，则扩容为现阶段长度的2倍+5；
            int newCapacity = oldCapacity + ((oldCapacity < 64) ?
                    (oldCapacity + 2) :
                    (oldCapacity >> 1));
            if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
                newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
            
            //数组复制：得到新数组
            queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);
        }
    
        private static int hugeCapacity(int minCapacity) { 
            if (minCapacity < 0)
                throw new OutOfMemoryError();
            return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
                    Integer.MAX_VALUE :
                    MAX_ARRAY_SIZE;
        }

PriorityQueue获取队列头部元素：

//返回队列头部的元素，不删除该元素(如果队列为空，则返回null)
        public E peek() { 
            if (size == 0)
                return null;
            return (E) queue[0];
        }
    
        //返回队列头部的元素，并删除该元素(如果队列为空，则返回null)
        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;
        }

PriorityQueue中核心方法：使用了比较器进行元素比较，当插入或者删除的元素后，对PriorityQueue中树的结构进行调整；

private void siftUp(int k, E x) { 
            //元素比较器不为null：
            if (comparator != null)
                siftUpUsingComparator(k, x);
            else
                //元素比较器为null：
                siftUpComparable(k, x);
        }
    
        //进行堆结构的siftUp运算：使用元素比较器
        private void siftUpComparable(int k, E x) { 
            Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>) x;
            while (k > 0) { 
                int parent = (k - 1) >>> 1;
                Object e = queue[parent];
                if (key.compareTo((E) e) >= 0)
                    break;
                queue[k] = e;
                k = parent;
            }
            queue[k] = key;
        }
    
        //进行堆结构的siftUp运算：使用自定义元素比较器
        private void siftUpUsingComparator(int k, E x) { 
            while (k > 0) { 
                int parent = (k - 1) >>> 1;
                Object e = queue[parent];
                if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)
                    break;
                queue[k] = e;
                k = parent;
            }
            queue[k] = x;
        }
    
        private void siftDown(int k, E x) { 
            //元素比较器不为null:
            if (comparator != null)
                siftDownUsingComparator(k, x);
            else
                //元素比较器为null：
                siftDownComparable(k, x);
        }
    
        //进行堆结构的siftDown运算：使用元素比较器
        private void siftDownComparable(int k, E x) { 
            Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>)x;
            int half = size >>> 1; 
            while (k < half) { 
                int child = (k << 1) + 1; 
                Object c = queue[child];
                int right = child + 1;
                if (right < size &&
                        ((Comparable<? super E>) c).compareTo((E) queue[right]) > 0)
                    c = queue[child = right];
                if (key.compareTo((E) c) <= 0)
                    break;
                queue[k] = c;
                k = child;
            }
            queue[k] = key;
        }
    
        //进行堆结构的siftDown运算：使用自定义元素比较器
        private void siftDownUsingComparator(int k, E x) { 
            int half = size >>> 1;
            while (k < half) { 
                int child = (k << 1) + 1;
                Object c = queue[child];
                int right = child + 1;
                if (right < size &&
                        comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0)
                    c = queue[child = right];
                if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)
                    break;
                queue[k] = c;
                k = child;
            }
            queue[k] = x;
        }
    
        //返回队列中的比较器：
        public Comparator<? super E> comparator() { 
            return comparator;
        }
    }

从上面的源码中，可以看出，PriorityQueue是由“堆结构”来实现的队列。而“堆结构”又是通过数组形成的一颗完全二叉树。所以，我们在代码中可以看到PriorityQueue最底层数据结构就是数组。

经过上面的源码的分析，对PriorityQueue的总结如下：

PriorityQueue是线程不安全的队列；

PriorityQueue中不允许插入null元素；

PriorityQueue是一个用“堆结构”来实现的队列；

[img]: /images/20220317/4697a7b7dee94f9fabb4cea741037d17.png

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