1、什么是优先队列

优先队列也是一种队列，它的接口函数和队列相同。

public interface Queue {

int getSize();

boolean isEmpty();

E dequeue();

void enqueue(E e);

E getFront();

}

虽然代码相同，需要注意的是，出队操作：拿出最大值(优先级最高)。但相对于普通的队列有着宏观上的不同。普通队列：先进先出，后进后出

优先队列：出队和入队得顺序无关，和优先级有关

形象地理解就是超市和医院的排队。超市排队这种特性就符合普通队列的形式。先排队先结账。医院就不一样啦，医院要优先处理急诊的病人，这就跟优先级有关，优先级越高的元素放在最前面。优先进行处理。

不同的底层实现方法：

作为一种抽象的数据结构，底层实现的方法包含很多。数组或者链表这种线性结构，当然还有我们的树结构，当然我们也可以引入顺序的线性结构。具体的复杂度如下：

2、什么是二叉堆

二叉堆是一个完全二叉树。那什么是完全二叉树呢？ 满二叉树就是除了最下面一层，其他的节点都是具有左右孩子节点，就类似于这样。

完全二叉树就类似这种：

完全二叉树不是一颗满的二叉树，但是它的不满的那一部分一定在他的右下角部分。存放的过程也就是从左向右的过程。

堆的特性和二分搜索树不同，堆的某个节点总是不大于其父亲节点的值。也就是它并不具有顺序性。我们可以看一下下面这张图。

可以看出任意子树的最大值永远是自己的父亲节点。

2.1、实现方法

这里我们可以看出来二叉堆是一层一层的从左到右这么依次排列的，所以这里我们使用数组进行存储二叉树。通过数组索引找到节点。

这样我们就非常巧妙的将树结构存储到了数组当中。我们还可以发现下面的规则： + 左孩子的索引等于该父亲节点索引值的 2 倍 + 1 + 有孩子的索引等于该父亲节点的索引值的 2 倍 + 2 + 父亲节点的索引值等于左右孩子节点的(索引值 - 1) / 2

用代码展示就是：

parent(i) = (i - 1)/ 2;//获得i索引值的父亲节点索引值leftChild(i) = i * 2 + 1

rightChild(i) = i * 2 + 2

2.2、初始化操作

在最大堆这个数据结构当中我们使用的是数组的底层实现，当然我们也就需要动态数组来实现这个动态大小的最大堆。关于Array动态数组这一章可以参考Array 动态数组。当然也可以直接使用Java自带的动态数组。

初始化程序实现：

public MaxHeap() {

data = new Array<>();

}

public MaxHeap(int capacity) {

data = new Array<>(capacity);

}

节点索引查询实现： 我们需要对查询父亲节点进行判断，因为index-1操作会导致负值出现。

private int parent(int index) {

if (index == 0)

throw new IllegalArgumentException("index isn't zero");

return (index - 1) / 2;

}

private int leftChild(int index) {

return index * 2 + 1;

}

private int rightChild(int index) {

return index * 2 + 2;

}

2.3、添加元素

这里的操作底层实现其实是上浮(SiftUp)操作。下面我们就来看看是如何上浮的。 + 向数组末尾添加一个元素，也就是向树的最下角添加一个元素； + 根据堆的性质，父亲节点大于它的左右孩子节点，来进行替换操作 + 不断进行第二步操作直到待添加节点小于它的父亲节点

程序实现：

public void add(E e) {

data.addLast(e);

siftUp(data.getSize() - 1);

}

private void siftUp(int index) {

while (index > 0 && data.get(parent(index)).compareTo(data.get(index)) < 0) {

data.swap(parent(index), index);

index = (index - 1) / 2; //父亲节点也就是待插入元素现在的位置 }

}

2.4、提取最大值

对于我们上面实现的最大堆，看得出来，最大值的地方存在于根节点的位置。也就是数组索引位0的位置。而且我们需要维护二叉堆的性质。 步骤： + 用树最后一个节点移动到根节点 + 判断待下沉操作的节点必须大于孩子节点的最大值，如果大于那么循环结束，否则替换孩子节点最大值和待下沉节点的位置。

提取最大值程序实现：

public E extractMax() {

E ret = findMax(); //查找最大值 data.swap(0, size() - 1); //移动最后一个节点到根节点 data.removeLast();

siftDown(0);

return ret;

}

// 下沉操作private void siftDown(int index) {

while (leftChild(index) < size()) {

int j = leftChild(index);

if (j + 1 < data.getSize() && data.get(j + 1).compareTo(data.get(j)) > 0)

j++; //右孩子节点值大 if (data.get(index).compareTo(data.get(j)) >= 0)

break;

else

data.swap(index, j);

index = j;

}

}

2.5 查询操作

查询操作就是查找元素最大的值，这里就是根节点位置，也就是索引为 0 的位置。

2.6、replace操作

replace替换操作主要包括：去除最大元素，放入一个新的元素。这其实是一个组合操作。但这里我们准备封装一下，并对其进行优化。

优化的方式就是在删除元素这里，如果我们分extraMax和add操作就需要两次 O(log(N)) 级别的时间复杂度。在replace操作中，我们可以直接将待添加的元素元素替换到根节点的位置，然后在执行下沉操作就可以，这样就是一次 O(log(N)) 级别的时间复杂度。

public E replace(E e) {

E ret = findMax();

data.set(0, e);

siftDown(0);

return ret;

}

2.7、Heapify数组堆化

操作就是将任意数组整理成堆的形状。 具体的过程就是： + 找到树结构的倒数第一个非叶子节点； + 不断向上进行下沉SiftDown操作

初始位置的查询就是最后一个节点的父亲节点。

程序实现：

public MaxHeap(E[] arr) {

data = new Array<>(arr);

for (int i = parent(arr.length - 1); i >= 0; i--)

siftDown(i);

}

3、优先队列的实现——基于二叉堆

具体的函数方法其实在最大堆已经映射过了。

@Override

public E dequeue() {

return maxHeap.extractMax();

}

@Override

public void enqueue(E e) {

maxHeap.add(e);

}

@Override

public E getFront() {

return maxHeap.findMax();

}

最后

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