Java-＞优先级队列(堆)

🕗 发布于 2024-10-10 03:04 java 开发语言

一、优先级队列

1.概念

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)。

2.堆的概念

把它的所有元素按完全二叉树的顺序存储方式存储在一个一维数组中

3.堆的性质

堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值；
堆总是一颗完全二叉树

4.堆的存储方式

堆是一棵完全二叉树，因此可以层序的规则采用顺序的方式来高效存储

非完全二叉树，则不适合使用顺序方式进行存储，因为为了能够还原二叉树，空间中必须要存储空节点，就会导致空间利用率比较低

如果i为0，则i表示的节点为根节点，否则i节点的双亲节点为 (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

5.堆的创建

向下调整：

5.1大根堆

public class TextHeap {
    public int[] elem;
    public int useSized;

    public TextHeap() {
        this.elem = new int[10];
    }

    public void intiElem(int[] array) {
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            this.elem[i] = array[i];
            useSized++;
        }
    }

    public void creatHeap() {
        for (int parent = (useSized - 1 - 1) / 2; parent >= 0; parent--) {
            siftDown(parent, useSized);
        }
    }

    private void siftDown(int parent, int useSized) {
        int child = parent * 2 + 1;
        while (child < useSized) {
            if(child + 1 < useSized && elem[child] < elem[child+1]) child++;
            if (elem[child] > elem[parent]) {
                swap(elem, child, parent);
                parent = child;
                child = parent * 2 + 1;
            } else {
                break;
            }
        }
    }

    private void swap(int[] elem, int i, int j) {
        int tmp = elem[i];
        elem[i] = elem[j];
        elem[j] = tmp;
    }
}

import java.util.Arrays;

public class Text {
    public static void main(String[] args) {
        TextHeap textHeap = new TextHeap();
        int[] arr = new int[]{ 27,15,19,18,28,34,65,49,25,37 };
        textHeap.intiElem(arr);
        textHeap.creatHeap();
        System.out.println(Arrays.toString(textHeap.elem));
    }
}
//[65, 49, 34, 25, 37, 27, 19, 18, 15, 28]

5.2小根堆

public class TextHeap {
    public int[] elem;
    public int useSized;

    public TextHeap() {
        this.elem = new int[10];
    }

    public void intiElem(int[] array) {
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            this.elem[i] = array[i];
            useSized++;
        }
    }

    public void creatHeap() {
        for (int parent = (useSized - 1 - 1) / 2; parent >= 0; parent--) {
            siftDown(parent, useSized);
        }
    }

    private void siftDown(int parent, int useSized) {
        int child = parent * 2 + 1;
        while (child < useSized) {
            if(child + 1 < useSized && elem[child] > elem[child+1]) child++;
            if (elem[child] < elem[parent]) {
                swap(elem, child, parent);
                parent = child;
                child = parent * 2 + 1;
            } else {
                break;
            }
        }
    }

    private void swap(int[] elem, int i, int j) {
        int tmp = elem[i];
        elem[i] = elem[j];
        elem[j] = tmp;
    }
}

import java.util.Arrays;

public class Text {
    public static void main(String[] args) {
        TextHeap textHeap = new TextHeap();
        int[] arr = new int[]{ 27,15,19,18,28,34,65,49,25,37 };
        textHeap.intiElem(arr);
        textHeap.creatHeap();
        System.out.println(Arrays.toString(textHeap.elem));
    }
}
//[15, 18, 19, 25, 28, 34, 65, 49, 27, 37]

6.建堆的时间复杂度

//时间复杂度：O(logn)
siftDown() {
}

//时间复杂度：O(n)
creatHeap() {
}

//n为树的节点数

7.堆的插入

堆的插入总共需要两个步骤：
1. 先将元素放入到底层空间中(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

    public void offer(int val) {
        if (isFull()) elem = Arrays.copyOf(elem, elem.length * 2);
        elem[useSized] = val;
        siftUp(useSized);
        useSized++;
    }

    private void siftUp(int child) {
        int parent = (child - 1) / 2;
        while (parent >= 0) {
            if (elem[parent] < elem[child]) {
                swap(elem, parent, child);
                child = parent;
                parent = (child - 1) / 2;
            } else {
                break;
            }
        }
    }

    private boolean isFull() {
        return useSized == elem.length;
    }

    private void swap(int[] elem, int i, int j) {
        int tmp = elem[i];
        elem[i] = elem[j];
        elem[j] = tmp;
    }

8.堆的删除

注意：堆的删除一定删除的是堆顶元素。具体如下：
1. 将堆顶元素对堆中最后一个元素交换
2. 将堆中有效数据个数减少一个
3. 对堆顶元素进行向下调整

    public void poll() {
        if (isEmpty()) return;
        swap(elem, 0, useSized - 1);
        useSized--;
        siftDown(0, useSized);
    }
    
    private void siftDown(int parent, int useSized) {
        int child = parent * 2 + 1;
        while (child < useSized) {
            if (child + 1 < useSized && elem[child] < elem[child + 1]) child++;
            if (elem[child] > elem[parent]) {
                swap(elem, child, parent);
                parent = child;
                child = parent * 2 + 1;
            } else {
                break;
            }
        }
    }

    private void swap(int[] elem, int i, int j) {
        int tmp = elem[i];
        elem[i] = elem[j];
        elem[j] = tmp;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return useSized == 0;
    }

二、PriorityQueue

1.什么是PriorityQueue

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

2.PriorityQueue的特性

关于PriorityQueue的使用要注意：
1. 使用时必须导入PriorityQueue所在的包，即：import java.util.PriorityQueue
2. PriorityQueue中放置的元素必须要能够比较大小，不能插入无法比较大小的对象，否则会抛出
ClassCastException异常
3. 不能插入null对象，否则会抛出NullPointerException
4. 没有容量限制，可以插入任意多个元素，其内部可以自动扩容
5. 插入和删除元素的时间复杂度为O(logn)
6. PriorityQueue底层使用了堆数据结构
7. PriorityQueue默认情况下是小堆---即每次获取到的元素都是最小的元素

默认情况下，PriorityQueue队列是小堆，如果需要大堆需要用户提供比较器：

import java.util.Comparator;
import java.util.PriorityQueue;
// 自己定义的比较器：直接实现Comparator接口，然后重写该接口中的compare方法即可
class IntBig implements Comparator<Integer> {
    @Override
    public int compare(Integer o1,Integer o2) {
        return o2.compareTo(o1);
//小根堆
//      return o1.compareTo(o2);
    }
}

public class Text {
    public static void main(String[] args) {
//大根堆
        PriorityQueue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<>(new IntBig());
        maxHeap.offer(1);
        maxHeap.offer(2);
        System.out.println(maxHeap.peek());
    }
}
//2

3.PriorityQueue常用接口介绍

构造器	功能介绍
PriorityQueue()	创建一个空的优先级队列，默认容量是11
PriorityQueue(intinitialCapacity)	创建一个初始容量为initialCapacity的优先级队列，注意： initialCapacity不能小于1，否则会抛IllegalArgumentException异常
PriorityQueue(Collection<? extends E> c)	用一个集合来创建优先级队列

4.PriorityQueue常用方法

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：空间不够时候会进行扩容
E peek()	获取优先级最高的元素，如果优先级队列为空，返回null
E poll()	移除优先级最高的元素并返回，如果优先级队列为空，返回null
int size()	获取有效元素的个数
void clear()	清空
boolean isEmpty()	检测优先级队列是否为空，空返回true

5.堆排序

1. 建堆
升序：建大堆
降序：建小堆
2. 利用堆删除思想来进行排序

//降序  
  public void headSort() {
        int end = useSized - 1;
        while(end > 0) {
            swap(elem,0,end);
            siftDown(0,end);
            end--;
        }
    }

原文地址：https://blog.csdn.net/2401_85234841/article/details/142703215

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！

上一篇：Kali Linux中安装配置影音资源下载神器Amule
下一篇：Python数据分析教程09：层次分析法的方根法和求和法的实现

Python Kivy 应用的深入研究与性能优化教程
在本教程中，我们深入学习了 Kivy 应用的性能优化和源码阅读方法。通过使用 Profiling 工具、理解 GPU 加速和内存管理，以及深入 Kivy 源码，我们掌握了一些重要的性能优化技巧和 Ki
阅读更多2024-10-10
R语言中的plumber介绍
plumber 是个强大的 R 包，用于将 R 代码转换为 Web API，通过使用 plumber，可轻松地创建 RESTfulI，以便将 R 的数据处理和分析功能暴露给其他应用程序或用户，plum
阅读更多2024-10-10
git在远程分支上新建分支
当基于这个远程跟踪分支创建新分支时，会得到一个包含远程。分支最新更改的本地分支。**需求：**在远程分支。的基础上创建一个新的分支。选项用于创建一个新分支。，本地仓库已经包含了。
阅读更多2024-10-10
18 基于51单片机的心率体温监测报警系统(包括程序、仿真、原理图、流程图)
基于51单片机 ds18B20读取温度，设置初始心率65 设置温度阈值38 心率阈值60 100 如果超过阈值，蜂鸣器报警，led灯亮
阅读更多2024-10-10
JavaScript-API（倒计时的实现）
d = parseInt(count / 60 / 60 / 24) //计算天数。h = parseInt(总秒数 / 60 / 60 % 24) // 计算小时。到了重点部分，我
阅读更多2024-10-10
实现MySQL异地多活场景
NineData 是玖章算术公司自主研发的云原生智能数据管理平台，是一个纯国产的软件。它提供的数据复制功能专门用于数据源之间的数据迁移与同步，针对本文的双向数据实时同步的需求，也提供了非常强大的支持。
阅读更多2024-10-10
基于模型的强化学习方法4大类灌水范式
我们都知道基于模型的强化学习，就是从数据中学一个环境模型。举个例子，我们要控制一个马达，输入就是电流，输出就是转速。无模型强化学习就是随机采样，然后从数据中直接学习输入到输出的影射，研究重心在如何高效
阅读更多2024-10-10
力扣392-判断子序列
给定字符串和，判断是否为的子序列。字符串的一个子序列是原始字符串删除一些（也可以不删除）字符而不改变剩余字符相对位置形成的新字符串。（例如，"ace"是"abcde&qu
阅读更多2024-10-10
[C高手编程] C语言数据结构：排序算法与查找算法
本章深入探讨了C语言中的两种核心算法：排序算法和查找算法。我们将从基本概念入手，逐步深入到复杂算法的实践，包括各种排序算法（如冒泡排序、选择排序、插入排序、快速排序、归并排序等）和查找算法（如顺序查找
阅读更多2024-10-10
你不知道的C语言知识（第六期：字符/字符串/内存库函数）
讲解：字符分类、字符转换函数，strlen、strcpy、strcat、strcmp、strncpy、strncat、strncmp、strstr、strtok、strerror、perror函数，m
阅读更多2024-10-10