PriorityQueue初始化和方法

PriorityQueue概述

PriorityQueue` 是 Java 中的一个数据结构，它是一个优先队列实现，可以用来存储一组元素，并根据其优先级进行排序和检索。优先队列是一种特殊的队列，其中元素被赋予了优先级，高优先级的元素在队列中排在低优先级元素的前面。

以下是 PriorityQueue 的一些重要特性和用法：

1. 基本特性：

   • PriorityQueue 是一个基于堆（heap）数据结构实现的，通常是一个最小堆（Min Heap），也可以通过传递比较器来创建最大堆（Max Heap）。
   • 元素根据其优先级自动排序，高优先级的元素在队列前面。

2. 元素插入：

   • 使用 add() 或 offer() 方法将元素插入队列中。

3. 元素获取：

   • 使用 peek() 方法可以获取队列中优先级最高的元素，但不删除它。
   • 使用 poll() 方法可以获取并移除队列中优先级最高的元素。

4. 遍历元素：

   • PriorityQueue 并没有提供迭代器来遍历元素，因为它并不保证元素的顺序。

5. 自定义优先级：

   • 可以通过为构造函数传递自定义的 Comparator 对象来定义元素的优先级比较规则。如果不提供比较器，元素必须实现 Comparable 接口来自然排序。

6. 线程安全性：

   • PriorityQueue 不是线程安全的，如果多个线程同时访问一个 PriorityQueue 实例，需要进行外部同步处理。

7. 应用场景：

   • PriorityQueue 常用于一些需要按优先级处理任务的场景，如任务调度器、最短路径算法（如Dijkstra算法）等。

以下是一个示例，演示了如何创建和使用 PriorityQueue：

import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个最小堆的PriorityQueue
        PriorityQueue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<>();
        
        // 插入元素
        minHeap.add(5);
        minHeap.add(2);
        minHeap.add(8);
        
        // 获取并移除最小元素
        int smallest = minHeap.poll(); // 结果：2
        System.out.println("Smallest element: " + smallest);
        
        // 获取但不移除最小元素
        int smallestPeek = minHeap.peek(); // 结果：5
        System.out.println("Smallest element (peek): " + smallestPeek);
    }
}

使用比较器构造最大堆

PriorityQueue<ListNode> q = new PriorityQueue<>(lists.length, (a, b) -> a.val - b.val);

这里使用<>来指定元素类型，确保a和b能够正确地识别为ListNode类型，从而访问val属性。
需要注意初始容量不能是0，加入的元素也不能是null

// 使用 Lambda 表达式创建最大堆比较器
Comparator maxHeapComparator = (a, b) -> b - a;
PriorityQueue maxHeap = new PriorityQueue<>(maxHeapComparator);
Comparator 是一个函数式接口，它只包含一个抽象方法 compare(T o1, T o2)，这个方法接受两个参数并返回一个整数，用于比较这两个对象的大小。由于 Comparator 是函数式接口，因此可以使用 Lambda 表达式来创建它的实例。

在上述代码中，(a, b) -> b.val - a.val 是一个 Lambda 表达式，它实际上是一个匿名函数，等价于以下的 compare 方法：

int compare(ListNode a, ListNode b) {
    return b.val - a.val;
}

Lambda 表达式的左侧 (a, b) 是参数列表，右侧 b.val - a.val 是函数体，表示通过比较 b.val 和 a.val 的差值来确定两个对象的顺序。这个差值为正时，表示 b 比 a 大，为负时，表示 a 比 b 大，为零时，表示它们相等。

因此，Lambda 表达式 (a, b) -> b.val - a.val 是创建了一个比较器，用于按照 ListNode 对象的 val 属性从大到小排序。这个比较器可以传递给 PriorityQueue，以确保最大的节点在堆的顶部。Lambda 表达式的简洁性使得它成为创建匿名函数对象的一种便捷方式。

扩容机制

在 PriorityQueue 中，动态扩容是在插入元素时进行的。以下是动态扩容的一般细节：

初始化：创建一个初始容量（默认是11）的数组，并将第一个元素插入其中。

插入元素：当插入一个新元素时，首先将其添加到数组的末尾。然后，它会根据堆的性质，比较新元素和其父节点的值。如果满足堆的性质，操作结束。如果不满足，就将新元素和父节点交换位置，然后继续比较新元素和新的父节点，直到满足堆的性质为止。

数组扩容：如果在插入元素时发现数组已满，就需要进行扩容。扩容通常会创建一个更大的新数组，然后将所有元素从旧数组复制到新数组中。

扩容策略：通常情况下，扩容的策略是将数组的容量翻倍，以减少频繁扩容的次数。这样可以保持在插入大量元素时的高效性能。

需要注意的是，虽然 PriorityQueue 具有动态扩容的机制，但扩容操作的代价相对较高，因为需要复制数组的所有元素。因此，在处理大量数据时，建议初始化 PriorityQueue 时指定一个足够大的初始容量，以减少扩容的次数，提高性能。