Java语言---PriorityQueue与堆
目录
一.堆
1.1堆的概念
1.2堆的存储方式
1.3堆的操作
1.3.1堆的创建
1.3.2代码的实现：
堆的插入元素
堆的删除
二、PriorityQueue
2.1概念
2.2性质
2.3PriorityQueue的创建构造
2.4PriorityQueue的操作方法
总结
个人主页：tq02的博客_CSDN博客-C语言,Java,Java数据结构领域博主
梦的目标：努力学习，向Java进发，拼搏一切，让自己的未来不会有遗憾。
欢迎各位→点赞 + 收藏⭐ + 评论+关注✨
本章讲解内容：堆与PriorityQueue 基于二叉树的知识。来源于百度
使用编译器：IDEA
一.堆
1.1堆的概念
堆，也称优先级队列，是存放元素的集合。而所存放的元素按照 完全二叉树的顺序存储方式。堆中每个结点总是 不大于或不小于 其父结点。
堆分为2种：大堆 小堆
大堆： 父结点的值 大于 子结点，也就是根结点的值最大。
小堆： 父结点的值 小于 子结点，也就是根结点的值最小。
1.2堆的存储方式
虽然堆的存储方式按照完全二叉树，完全二叉树实现有2种方式(链表 或者 数组）。而此时因为堆的性质，使用一维数组的方式存储更为高效。堆中元素层序存储到一维数组。
代码实现：
public class MyHeap{
public int[] array;
public int capacity; //数组容量
public int index; //数组大小
MyHeap(){
array=new int[10];
this.capacity=10;
this.index=0;
}
MyHeap(int num)
{
array=new int[num];
this.capacity=num;
this.index=0;
}
//向下调整结点方法
public void shiftDown(int[] array, int parent);
//插入新元素
public void shiftUp(int[] array,int child);
//删除堆顶元素
public void delectHeap(int[] array)；
1.3堆的操作
在使用Java语言操作 堆 之前，我们需要明确几个性质。
1、堆是完全二叉树，除了最后一层，每一层的结点都是满的。
2、当序号为 i 时
- 如果i为0，则为根结点，否则i节点的父节点为 (i - 1)/2；
- 如果2 * i + 1 小于节点个数，则节点i的左孩子下标为2 * i + 1，否则没有左孩子
- 如果2 * i + 2 小于节点个数，则节点i的右孩子下标为2 * i + 2，否则没有右孩子
1.3.1堆的创建
在堆中，我们很明显是需要将一个集合，变成大堆，或者小堆的。
此刻我们展开一下变大堆的过程：
解析：创建大堆，方法：每个子树变成大堆。
1. 让parent标记最后一个结点的父结点，child标记parent的左孩子(注意：parent如果有孩子一定先是有左孩子)
2. 如果parent的左孩子存在，即:child < size（数组长度）,进行以下操作，直到parent的左孩子不存在
- parent右孩子是否存在，存在找到左右孩子中最大的孩子，让child进行标记
- 将parent与较大的孩子child比较，如果：
parent小于较大的孩子child，调整结束
否则：交换parent与较大的孩子child，交换完成之后，parent中大的元素向下移动，可能 导致子树不满足对的性质，因此需要继续向下调整，即parent = child；child = parent*2+1; 然后继续2.
1.3.2代码的实现：
//向下调整结点方法
public void shiftDown(int[] array, int parent) {
// child先标记parent的左孩子，因为parent可能右左没有右
int child = 2 * parent + 1;
int size = array.length;
while (child < size) {
// 如果右孩子存在，找到左右孩子中较小的孩子,用child进行标记
if(child+1 < size && array[child+1] > array[child]){
child += 1;
}
// 如果双亲比其最大的孩子小，说明该结构已经满足堆的特性了
if (array[parent] >= array[child]) {
break;
}else{
int t = array[parent]; //将双亲与较大的孩子交换
array[parent] = array[child];
array[child] = t;
// parent中大的元素往下移动，可能会造成子树不满足堆的性质，因此需要继续向下调整
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
}
}
public void heapJust(int[] array)
{
for(int i=(array.length-1-1)/2;i>=0;i--)
{
shiftDown(array,i);
}
}堆的插入元素
1. 先将元素放入到数组的最后一位中（二叉树的末端）(注意：空间不够时需要扩容)
2. 将最后新插入的节点向上调整，直到满足堆的性质
代码实现：
//该方法是传递已经添加了新元素的数组,以及末尾元素下标
public void shiftUp(int[]array,int child) {
// 找到child的双亲
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0) {
// 如果双亲比孩子大，parent满足堆的性质，调整结束
if (array[parent] > array[child]) {
break;
}
else{
// 将双亲与孩子节点进行交换
int t = array[parent];
array[parent] = array[child];
array[child] = t;
// 小的元素向下移动，可能到值子树不满足对的性质，因此需要继续向上调增
child = parent;
parent = (child - 1) / 1;
}
}
}堆的删除
删除的是堆顶元素，将堆顶元素与最后一位交换，将堆中有效数据个数减少一位，再进行向下调整。
代码实现：
public void delectHeap(MyHeap t)
{
int[] array1=t.array;
int i=array1.length-1;
//swap方法，是交换数组元素
swap(array1,i,0);
//删除末尾元素
array1[index]=0;
t.index--;
//堆顶元素再向下调整
shiftDown(array1,0);
}
二、PriorityQueue
2.1概念
1、 PriorityQueue的类型是优先级队列，优先队列的作用是保证每次取出的元素都是队列中权值最小/最大的
2、 PriorityQueue 是采用 树形结构 来描述元素的存储，具体说是通过完全二叉树实现一个小顶堆，在物理存储方面，PriorityQueue 底层通过 数组 来实现元素的存储。
在集合框架中的联系：
2.2性质
1、底层运用了 堆 数据结构，并且默认情况下，为小堆。
2、默认情况下容量为11，无容量限制，内部可自动扩容。
3、不可以插入无法比较的对象，会抛出异常。
4、不可以插入null对象。
注：因为默认情况为小堆，所以需要大堆时，需要用户提供比较器。
2.3PriorityQueue的创建构造
三种构造方法：
构造器 PriorityQueue（） 创建一个空的优先级队列，默认容量：11 PriorityQueue( int capacity) 创建一个初始容量为capacity的优先级队列 PriorityQueue(Collection c） 用一个集合创建优先级队列
代码实例：
public void TestPriorityQueue(){
// 创建一个空的优先级队列，底层默认容量是11
PriorityQueue q1 = new PriorityQueue<>();
// 创建一个空的优先级队列，底层的容量为initialCapacity
PriorityQueue q2 = new PriorityQueue<>(100);
// 用ArrayList对象来构造一个优先级队列的对象
// q3中已经包含了三个元素
ArrayList list = new ArrayList<>();
list.add(4);
list.add(3);
list.add(2);
list.add(1);
PriorityQueue q3 = new PriorityQueue<>(list);
System.out.println(q3.size());
System.out.println(q3.peek());
2.4PriorityQueue的操作方法
常用的方法：插入、删除、获取优先级最高（堆顶元素）
函数名 功能介绍 boolean offer(E e) 插入元素e，插入成功返回true，如果e对象为空，抛出NullPointerException异常，时间复杂度 ，注意：空间不够时候会自主扩容 E peek() 获取优先级最高（堆顶）的元素，如果为空，返回null E pool() 移除优先级最高的元素并返回，如果为空，返回null。 int size() 获取有效元素个数 void clear（） 清空 Boolean isEmpty() 检测堆是否为空，空返回true 注：如果容量小于64，按照原来的空间*2扩容
如果容量等于64，则按照原来空间*1.5扩容
如果容量超过MAX_ARRAY_SIZE,按照MAX_ARRAY_SIZE来扩容（不需要深究）
代码实现：
public void TestPriorityQueue2(){
int[] arr = {4,1,9,2,8,0,7,3,6,5};
// 一般在创建优先级队列对象时，如果知道元素个数，建议就直接将底层容量给好
// 否则在插入时需要不多的扩容
// 扩容机制：开辟更大的空间，拷贝元素，这样效率会比较低
PriorityQueue q = new PriorityQueue<>(arr.length);
for (int e: arr) {
q.offer(e);
}
System.out.println(q.size()); // 打印优先级队列中有效元素个数
System.out.println(q.peek()); // 获取优先级最高的元素
// 从优先级队列中删除两个元素之和，再次获取优先级最高的元素
q.poll();
q.poll();
System.out.println(q.size()); // 打印优先级队列中有效元素个数
System.out.println(q.peek()); // 获取优先级最高的元素
q.offer(0);
System.out.println(q.peek()); // 获取优先级最高的元素
// 将优先级队列中的有效元素删除掉，检测其是否为空
q.clear();
if(q.isEmpty()){
System.out.println("优先级队列已经为空!!!");
}
else{
System.out.println("优先级队列不为空");
}
} 总结
我们先得明白堆是什么？堆是一种优先级队列，可采用二叉树的形式来表达存储方式。在Java程序中，以及写好相关的类（PriorityQueue），可以使用。
值得一提的是：Java的集合框架中提供了2种类型的优先级队列：PriorityQueue和PriorityBlockingQueue。但由于PriorityQueue是线程不安全的，PriorityBlockingQueue是线程安全的。