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。

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

（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；

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;
}

（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);
        
    // 創建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;
}

（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;
}

（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];
}

（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；

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？

（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。