Java数据结构7（优先级队列）

一，目录

1，概念

2，堆的创建及相关方法的实现

3，常用接口介绍

4，top（k）问题

5，堆排序

一，概念

前⾯介绍过队列，队列是⼀种先进先出(FIFO)的数据结构，但有些情况下，操作的数据可能带有优先 级，⼀般出队列时，可能需要优先级⾼的元素先出队列，该中场景下，使⽤队列显然不合适，⽐如： 在⼿机上玩游戏的时候，如果有来电，那么系统应该优先处理打进来的电话；初中那会班主任排座位 时可能会让成绩好的同学先挑座位。 在这种情况下，数据结构应该提供两个最基本的操作，⼀个是返回最⾼优先级对象，⼀个是添加新的 对象。这种数据结构就是优先级队列(Priority   Queue)。

优先级队列底层是使用了堆这种数据结构，而堆就是在完全二叉树的基础上进行了一些调整

二，创建及相关方法

堆主要分为大根堆和小根堆

这两种都是在完全二叉树的基础上进行调整得来的，大根堆就是每一棵树的根都是根及其左右子树中最大的，小根堆就是每一棵树的根都是根及其左右子树中最小的，所以也有一个特点就是大根堆中根节点是最大的元素，小根堆中根结点是最小的元素，如下80就是所有元素里最大的，13就是所有元素里最小的

一：创建

1，我们先根据堆的思想来创建一个大根堆，其中的parent和child均为下标

2，具体做法是先找到最后一个左孩子的父亲节点的下标:我们就按照上图的树，也就是找到5的下标，我们还要引入一些前情数据，usedsize为13，那么根据完全二叉树的公式就知道，不管是左孩子还是右孩子，他们的父亲节点都是-1再/2，所以父亲节点的下标为（usedsize-1-1）/2，所以初始的parent=（usedsize-1-1）/2，然后parent依次往上，然后进行一个向下的调整

3，接下来就是要完成向下调整的一个代码，具体操作就是在左右孩子节点中找到最大的，然后将他的下标标记为chlid，然后将他和父亲节点进行比较，观察是否需要交换，交换完，交换下来的那个值并不一定是待在那个地方的，可能还需要和下面的数值进行一个调整，所以让parent等于child，然后child乘2加1，继续进行一个调整，当不需要调整的时候，就退出循环

具体代码如下

public class TestHeap {
    public int[] elem;
    public int usedsize;

    public TestHeap(){
        this.elem = new int[15];
    }
    public void init(int[] array){
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            elem[i]=array[i];
            usedsize++;
        }
    }
    //
    public void creatheap(){
        //先找到最后一颗子树的根节点的下标
        for (int parent = (usedsize-1-1)/2; parent >=0; parent--) {
            shelldown(parent, usedsize);
        }
    }
    //向下调整
    private void shelldown(int parent,int usedsize){
        //1,先取得左孩子节点的下标
        int child=parent*2+1;
        //调整到child小于usedsize的时候
        while (child<usedsize){
            //先取得左右孩子中最大的，并且得保证有右孩子的情况下，没有就直接不用变
            if (child+1<usedsize && elem[child]<elem[child+1]){
                child++;
            }
            //现在child里面存储的就是左右孩子里的最大值的下标,然后进行交换
            if (elem[child]>elem[parent]){
                swap(elem,parent,child);
                //只能保证调整了的是正确的，但是还得向下调整保证换完的也是大根堆
                parent=child;
                child=parent*2+1;
            } else {
                break;
            }
        }
    }
    //交换
    private void swap(int[] elem,int i,int j){
        int tmp=elem[i];
        elem[i]=elem[j];
        elem[j]=tmp;
    }
}

二：相关方法

1，增加元素

public void offer(int val){
        //先判断有没有满，满了就得扩容
        if (isfull()){
            elem= Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
        }
        elem[usedsize]=val;
        siftup(usedsize);
        usedsize++;
    }

    private void siftup(int child) {
        int parent=(child-1)/2;
        //调整到parent>=0或者child>0的时候
        while (child>0){
            if (elem[child]>elem[parent]){
                swap(elem,child,parent);
                child=parent;
                parent=(child-1)/2;
            }else {
                break;
            }
        }
    }

    public boolean isfull(){
        return usedsize==elem.length;
    }

2，删除元素（头删）

public void pull(){
        if (isempty()){
            return;
        }
        //让首元素和最后一个元素交换
        swap(elem,elem[0],elem[usedsize-1]);
        usedsize--;
        //让首元素进行向下调整
        shelldown(0,usedsize);
    }
    public boolean isempty(){
        return elem.length==0;
    }
}

三，常用接口介绍

Java集合框架中提供了PriorityQueue和PriorityBlockingQueue两种类型的优先级队列， PriorityQueue是线程不安全的，PriorityBlockingQueue是线程安全的，本⽂主要介绍 PriorityQueue，PriorityQueue当中也有相应的方法，如offer，peek等

PriorityQueue<Integer> priorityQueue=new PriorityQueue<>();
        priorityQueue.offer(10);
        priorityQueue.offer(3);
        priorityQueue.offer(9);
        System.out.println(priorityQueue.peek());

我们通过peek方法可以知道系统自带的PriorityQueue是个小根堆，然后我们通过源码来看看它的构造方法，以及有没有方法来使其变成一个大根堆

通过源码的构造方法可以看出，有没有参数的也有两个参数的，其中的传入的比较器成为了关键

点入到offer方法里面可以发现有两种，一种是传入比较器，一种是使用默认的比较方法，所以我们只要写一个比较器，里面比较的方法根默认的是相反的话，那么就可以实现大根堆了，我来展示两种重写的比较方法

class imp implements Comparator<Integer>{
    @Override
    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        return o2.compareTo(o1);
    }
}

第一种就是写一个比较器，在PriorityQueue调用的时候传入这个imp类就行了

PriorityQueue<Integer> priorityQueue2=new PriorityQueue<>(new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o2.compareTo(o1);
            }
        });

第二种方法通过匿名内部类来实现

 什么是匿名内部类

没有名字的局部内部类，只用一次、用完就丢，不用单独新建 .java 文件写类；

只能实现一个接口 / 继承一个父类；

核心场景：快速实现函数式接口（Comparator、Runnable 等）。

四，top（k）问题

当我们要求一些数据的最大或者最小的k个的时候，我们可以用排序来找到前面的数据，当然也可以运用到堆，当我们要求前k个最小的数据的时候，我们可以创建一个大根堆，堆的数据个数为k，并且每次用下一个数据跟堆顶的元素进行比较，因为堆顶的数据肯定是k个中最大的，我们考虑换元素也是优先考虑它，具体代码如下

//top k问题
    public int[] smallk(int[] array,int k){
        //先判断数据
        int[] ret=new int[k];
        if (array==null||k==0){
            return null;
        }
        //创建一个大根堆
        PriorityQueue<Integer> priorityQueue=new PriorityQueue<>(new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o2.compareTo(o1);
            }
        });
        //将前k个数据放在大根堆里面
        for (int i = 0; i <= k; i++) {
            priorityQueue.offer(array[i]);
        }
        //将后面的数据跟堆顶进行比较，来调整堆
        int peekval=priorityQueue.peek();
        for (int i = k+1; i < array.length; i++) {
            if (peekval>array[i]){
                priorityQueue.poll();
                priorityQueue.offer(array[i]);
            }
        }
        for (int i = 0; i < k; i++) {
            int val=priorityQueue.poll();
            ret[i]=val;
        }
        return ret;
    }

五，堆排序

我们以从小到大来排序，就紧接在我们刚刚自己实现的大根堆下面，堆排序主要的思路就是找到堆顶元素，因为它是最大的，然后将其和最后一个元素进行交换，可以拿一个end下标来记录大的元素，end就等于usedsize-1，然后进行向下调整，最后调整到堆顶元素为最小值，然后依次增大

//从小到大排
    public void heapsort(){
        int end=usedsize-1;
        while (end>0){
            swap(elem,0,end);
            shelldown(0,end);
            end--;
        }
    }

自己的小问题以及理解：怎么理解创建堆的时候，传入的parent是最后一颗子树的父亲节点，但是后面我要自己调整的时候可以直接传入0下标

因为建堆的时候，所有数据都是乱给的，没有一个数据是排序好的，所以从最后一个往前调整，但是排序的时候，我们交换了最后一个以及堆顶的元素的时候，堆顶的左右子树都是完整的大根堆，已经是排序好的，所以堆顶的三个元素组成的树是需要调整的，所以传入0下标，然后后续下面有问题再shelldown里面也会接着调整