java中的有序队列

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Java中的有序队列

引言

在数据结构中，有序队列（Priority Queue）是一种特别的队列。不同于普通队列以FIFO（先进先出）方式处理元素，有序队列会根据元素的优先级来处理元素。优先级高的元素会优先被处理，无论其在队列中的位置如何。Java 提供了较为方便的实现方案，让我们能够轻松地使用有序队列。

有序队列的基本概念

有序队列是一种抽象数据结构，可以处理任意对象，同时保证队列中的每个元素都有一个优先级。Java 中的 PriorityQueue 类实现了这一功能，采用堆（heap）数据结构以便高效地排序和获取最高优先级的元素。

状态图

以下是有序队列的状态图，展示了不同状态之间的转换关系：

stateDiagram
    [*] --> 空队列
    空队列 --> 新增元素: add()
    新增元素 --> 有序队列: 自动排序
    有序队列 --> 提取元素: poll()
    有序队列 --> 空队列: 无元素

PriorityQueue的基本使用

Java 中的 PriorityQueue 类位于 java.util 包中。默认情况下，该类根据对象的自然顺序或提供的比较器进行排序。下面是一个简单的示例，展示了如何使用 PriorityQueue 类。

代码示例

import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个优先队列
        PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();

        // 添加元素
        queue.add(5);
        queue.add(1);
        queue.add(3);
        queue.add(2);

        // 提取元素并输出顺序
        while (!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.poll());
        }
    }
}

输出结果

自定义对象的优先队列

有序队列不仅可以处理基本数据类型，还可以处理用户自定义对象。为了按照自定义的规则排序，需要实现 Comparable 接口或提供 Comparator。

以下示例展示了如何实现一个按优先级排序的任务类。

代码示例

import java.util.Comparator;
import java.util.PriorityQueue;

class Task {
    String name;
    int priority;

    Task(String name, int priority) {
        this.name = name;
        this.priority = priority;
    }
}

class TaskComparator implements Comparator<Task> {
    @Override
    public int compare(Task t1, Task t2) {
        return Integer.compare(t2.priority, t1.priority); // 高优先级排前面
    }
}

public class CustomPriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Task> taskQueue = new PriorityQueue<>(new TaskComparator());

        taskQueue.add(new Task("Task 1", 2));
        taskQueue.add(new Task("Task 2", 1));
        taskQueue.add(new Task("Task 3", 3));
        
        while (!taskQueue.isEmpty()) {
            Task task = taskQueue.poll();
            System.out.println("Executing: " + task.name + " with priority " + task.priority);
        }
    }
}

输出结果

Executing: Task 3 with priority 3
Executing: Task 1 with priority 2
Executing: Task 2 with priority 1

序列图

以下是一个简单的序列图，演示了任务放入队列并执行过程：

sequenceDiagram
    participant User
    participant TaskQueue
    participant Executor

    User ->> TaskQueue: add(Task 1)
    User ->> TaskQueue: add(Task 2)
    User ->> TaskQueue: add(Task 3)
    TaskQueue ->> Executor: poll()
    Executor -->> TaskQueue: Execute Task 3
    TaskQueue ->> Executor: poll()
    Executor -->> TaskQueue: Execute Task 1
    TaskQueue ->> Executor: poll()
    Executor -->> TaskQueue: Execute Task 2