Queue-PriorityQueue源码解析

Queue队列通常是先进先出(FIFO)，但也有特殊的非FIFO，如本文也分析的PriorityQueue。

Queue接口

Queue接口定义的方法：

添加元素接口：

1. add(E e) -> 往队列添加一个元素，如果队列已满抛出IllegalStateException异常。
2. offer(E e) -> 往队列添加一个元素，true成功，false失败，和add区别在与不会因为队列已满抛异常。

删除元素接口：

1. remove() -> 删除队列头元素并返回该元素，如果队列为空抛出NoSuchElementException异常。
2. E poll() -> 删除队列头元素并返回该元素，如果队列为空返回null（与remove不同）。

获取队列头元素接口：

1. E element() -> 返回队列头部元素（没有删除），如果队列为空抛出NoSuchElementException异常。
2. E peek() -> 返回队列头部元素（没有删除），如果队列为空返回null。

Queue常用的实现类

上图中列出的是Queue平时常用的实现类：

1. ArrayBlockingQueue -> 有边界的数组形式实现的阻塞队列。
2. LinkedBlockingQueue -> 有边界的链表形式实现的阻塞队列。
3. PriorityQueue -> 无边界的二叉堆形式实现的优先级队列。
4. DelayQueue -> 无边界的优先级形式实现的延迟队列。

PriorityQueue

PriorityQueue是基于二叉堆形式实现的无界队列。队列中元素类型必须是可比较的，构造函数如果没有传入Comparator默认是自然排序。

PriorityQueue结构

PriorityQueue继承了AbstractQueue，AbstractQueue实现Queue接口，即PriorityQueue拥有Queue的方法和特征。

Object[] queue：存放队列元素。

int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY：默认的队列大小，默认值为11。

int size：PriorityQueue队列中元素个数。

int modCount：PriorityQueue队列修改次数。

Comparator<? super E> comparator：队列元素排序比较器。

int MAX_ARRAY_SIZE：队列最大值(Integer.MAX_VALUE - 8)，VM的保留了8字节的 header words。

PriorityQueue示例

package com.juc.queue;

import java.util.PriorityQueue;
/**
 * Created on 2020/5/10 23:29.
 * @author Griez
 */
public class PriorityQueueTest {
    public static final PriorityQueue<Integer> QUEUE = new PriorityQueue<>();
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 10; i > 0 ; i--) {
            QUEUE.offer(i);
        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(QUEUE.poll());
        }
    }
}

创建一个存放Integer的PriorityQueue，采用默认的自然排序。并倒序的往PriorityQueue添加10-1。然后从PriorityQueue头部出队列并输出，输出结果是1-10升序。如果是让我们实现应该是入队时用插叙排序好并存放在queue数组中，但是这样实现往queue数组中添加和删除元素移动次数是不是最优的呢？接下来我们看一下Josh Bloch, Doug Lea是怎么样实现的。

PriorityQueue添加元素解析

java.util.PriorityQueue#offer

public boolean offer(E e) {
    if (e == null)  //《1》不能为空
        throw new NullPointerException();
    modCount++;		// 《2》修改次数加1
    int i = size;
    if (i >= queue.length) // 默认11
        grow(i + 1); // 《3》数组扩容
    size = i + 1;
    if (i == 0)		// 《4》直接把e赋值给0下标元素（顶部元素）
        queue[0] = e;
    else
        siftUp(i, e);	// 《5》筛选顶部元素
    return true;
}

《1》添加的元素不能为空，即PriorityQueue队列不可能存在null元素。

《2》修改次数加1。

《3》如果当前PriorityQueue元素数量大于等于数组容量需要对queue进行扩容操作。

《4》如果当前PriorityQueue为空，直接把e赋值给queue数组0下标（顶部元素）。

《5》通过二叉堆，筛选顶部元素。

java.util.PriorityQueue#grow

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = queue.length;
    // Double size if small; else grow by 50%
    // 《1》根据现有的容量选择增长倍数
    int newCapacity = oldCapacity + ((oldCapacity < 64) ?
                                     (oldCapacity + 2) :
                                     (oldCapacity >> 1)); 
    // overflow-conscious code
    // 《2》如果《1》计算出的容量比最大大，则以传入容量为准
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);
}

《1》根据现有的容量选择增长倍数，如果现在的容量小于64，则容量直接增长一倍再加2；否则增长50%。

《2》如果《1》计算出的容量比最大大，则以传入容量为准。

java.util.PriorityQueue#siftUp

private void siftUp(int k, E x) {
    if (comparator != null)
        siftUpUsingComparator(k, x);
    else
        siftUpComparable(k, x);
}

如果构造PriorityQueue时传有特定比较器，就按特定比较器方式设置顶部元素，否则按默认自然比较器方式设置。

java.util.PriorityQueue#siftUpComparable

private void siftUpComparable(int k, E x) {
    Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>) x; //《1》
    while (k > 0) {
        int parent = (k - 1) >>> 1; //《2》
        Object e = queue[parent];  //《3》
        if (key.compareTo((E) e) >= 0) //《4》
            break;
        queue[k] = e;  //《5》
        k = parent;
    }
    queue[k] = key; //《6》
}

《1》添加的元素必须是Comparable子类，可比较的。

《2》计算父节点下标。

《3》得到父节点元素。

《4》跟父节点元素作比较，如果要添加的元素大于父节点元素则退出。

《5》把父节点的元素移动到数组下标k处，然后把父节点下标赋值给k，循环《1》 - 《4》步骤。

《6》经过前面步骤最终确认需要添加的元素在queue下标，并存入数组。

添加10 - 8 该方法体现的数据结构。

添加7整个过程，用堆数据结构添加7的过程只交换了两次数据位置。如果用插叙排序这种极端情况所有数据都需要移动。

最小二叉堆特性是根节点元素值永远是最小的。

PriorityQueue删除元素解析

java.util.PriorityQueue#poll

public E poll() {
    if (size == 0) //《1》
        return null;
    int s = --size; //《2》
    modCount++; //《3》
    E result = (E) queue[0];//《4》
    E x = (E) queue[s];//《5》
    queue[s] = null;
    if (s != 0)
        siftDown(0, x);//《6》
    return result;
}

《1》如果队列为空，返回null。

《2》队列元素总数减1。

《3》修改次数加1。

《4》把堆头部元素取出，后面直接返回该元素。

《5》获取queue最后一个元素并把该位置设置null。

《6》重新筛选最小值为头部元素。

java.util.PriorityQueue#siftDown

private void siftDown(int k, E x) {
    if (comparator != null)
        siftDownUsingComparator(k, x);
    else
        siftDownComparable(k, x);
}

如果构造PriorityQueue时传有特定比较器，就按特定比较器方式设置顶部元素，否则按默认自然比较器方式设置。

java.util.PriorityQueue#siftDownComparable

private void siftDownComparable(int k, E x) {
    Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>)x;
    int half = size >>> 1; //《1》       // loop while a non-leaf
    while (k < half) {
        int child = (k << 1) + 1; //《2》 // assume left child is least
        Object c = queue[child];//《3》
        int right = child + 1;//《4》
        if (right < size &&
            ((Comparable<? super E>) c).compareTo((E) queue[right]) > 0) //《5》
            c = queue[child = right];
        if (key.compareTo((E) c) <= 0)//《6》
            break;
        queue[k] = c;//《7》
        k = child;
    }
    queue[k] = key;//《8》
}

《1》无符号右移1位，取size的一半。

《2》得到二叉堆的左子节点下标。

《3》获取左子节点元素。

《4》右子节点下标。

《5》右子节点下标小于队列元素总数，并且左子节点元素比右子节点元素大时，把右子节点元素赋值给c，把右子节点下标赋值给child。

《6》需要交换的元素key小于或等于子节点元素c，则退出循环。

《7》把子节点c设置到queue下标为k的位置，并把child赋值给k，然后重复《1》-《6》步骤。

《8》找到key合适的位置并设置该元素。

总结

PriorityQueue使用二叉堆数据结构保证了队列头部元素永远是最小的，在添加和删除的过程元素移动次数比插叙排序插入少。队列元素是使用数组queue保存，在多线程的情况对数组queue并发操作存在安全问题。