如何在不使用 Java 类的情况下实现 PriorityQueue？

Question

我正在尝试在不使用 Java 提供的 PriorityQueue 类的情况下制作 PriorityQueue。为此，我有一些必须填写的给定方法。我不确定我在哪里犯了错误。看来我的 put 和 get 函数都是错误的，我不确定如何按照代码中给出的方式制作新的 PQ。我有以下内容：

class Element {

private int priority;
private String data;

Element(int priority, String data) { 
    // Ihr Code
    this.priority = priority;
    this.data = data;

 }

public String getData() { 
    // Ihr Code
    return data;
}


public int getPriority() { 
    // Ihr Code
    return priority;
 }

/**
 * Return data and priority as string 
 * Format: Data (Priority)
 * e.g: abc (7)
 */
public String toString()        {
    String str = data + " " + Integer.toString(priority) + ")";  
    return str;
}
}


public class PriorityQueue {


static final int SIZE = 32;


private Element[] data = null;

// actual number of entries
private int len = 0;


/**
 * Creates a new PriorityQueue
 */
public PriorityQueue() {
    // Ihr Code      
}

/** 
 * Adds a new element into the queue as long as there is space
 * Returns true if element could be added, otherwise false 
 */
boolean put(Element element) {
    // Ihr Code
    if(len == SIZE){
        return false;
    }else{
        int i = len-1;
        while (i>=0 && element.getPriority() > data[i].getPriority()){
            data[i+1] = data[i];
            i--;
        }
        data[i+1] = element;
        len++;
        return true;
    }

}

/**
 * Returns element with the highest priority 
 * and removes it from the queue. Otherwise returns null
 * 
 */
Element get() {
    // Ihr Code
    if (len > 0){
        Element x = q[0];
        for(int i = 1; i < len; i++){
            data[i-1] = data[i];
        }
        len--;
        return x;
        }else{
             return null;
        }
    }

/**
 * Number of entries 
 */
int length() {
    // Ihr Code
    return len;
 }

/**
 * Returns contents of the queue as a String
 * Format: data1 (priority1), data2 (priority2)
 * e.g: abc (7), cde (8)
 * Attention: There should be no comma at the end of the String 
 */
public String toString() {
    //  Code
    String res = new String();
    //res = "(" + data + "," + ")";

    if(data.length>0){
        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        for(String s: data){
            sb.append(s).append(",");
        }
        res = sb.deleteCharAt(sb.length()-1).toString;
    }

    return res;
 }

我也在努力使用最终的 toString 方法，以给定格式将队列作为字符串返回，我尝试了使用 StringBuilder 的方法，但这不能正确编译。或者，我可以使用普通的 for 循环来实现它，但我又在为确切的语法苦苦挣扎。

我在网上找到了使用堆结构（我还没有）和一个我无法理解的名为 Comparator 的类来构建这个 PQ 的资源。任何帮助将不胜感激！

我主要是在挣扎

public PriorityQueue(){
      //what code?}

功能。我应该如何在这里制作“新”PQ？应该是

PriorityQueue pq = new PriorityQueue(); 

我很迷茫！非常感谢帮忙。

Answer 1

您的PriorityQueue 构造函数必须初始化数组并设置当前的项目数。那就是：

public PriorityQueue() {
    data = /* initialize array */
    len = 0;
}

您确实不需要按顺序保持队列中的元素。只需让您的 put 方法将该项目添加为数组中的下一个元素：

public put(Element e) {
    if (len == SIZE) {
        return false;
    }
    data[len++] = e;
    return true;
}

然后您的 get 方法在数组中搜索最高优先级的项目，将其保存，将其替换为数组末尾的项目，然后返回：

Element get() {
    if (len == 0) {
        return null;
    }
    int p = 0;
    for (int i = 1; i < len; ++i) {
        if (data[i].getPriority() < data[p].getPriority()]) {
            p = i;
        }
    }
    Element e = data[p];
    // replace with the last item
    data[p] = data[len-1];
    --len;
    return e;
}

所以put 是 O(1) 操作，get 是 O(n)。在您的代码中，两者都是 O(n)。

Answer 2

构造函数只需要初始化Element[]：

public PriorityQueue() {
    data = new Element[SIZE];
}

现在到put()。此方法将在while 循环中抛出ArrayOutOfBoundsException，因为您以i = len - 1 开头，这是data 的最后一个字段。然后你访问不存在的data[i+1]，就会抛出异常（当然，除非你用data = new Element[SIZE + 1]初始化它）。

解决方案：改用i 和i-1：

boolean put(Element element) {
    if (len == SIZE) {
        return false;
    } else {
        // EDIT: I changed i = len - 1 to i = len since, otherwise,
        // the last element would always be overwritten. Now, the
        // last element gets copied to the first "free" element and
        // so on.
        i = len;
        while (i > 0 && element.getPriority() > data[i-1].getPriority()) {
            data[i] = data[i - 1];
            i--;
        }
        data[i] = element;
        len++;
        return true;
    }
}

编辑：我之前说过将返回具有最小优先级的元素。实际上，它是最大的。

get() 方法的行为符合预期（除了它应该在开头说 Element x = data[0] 而不是 q[0]）。它返回数组的第一个元素（具有最大getPriority() 值的元素）并将其余的索引向下移动。但是，如果您希望返回具有 最小 值的元素，只需在 put() 方法的 while 循环中将 > 切换为 <：

while (i > 0 && element.getPriority() < data[i-1].getPriority()) {
    ...
}

最后但同样重要的是toString() 方法。它看起来基本正确，除了 for-each 循环。这个总是迭代整个数组，它应该只迭代到data[len - 1]。因此，只需使用索引就可以了：

public String toString() {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        sb.append(data[i]).append(",");
    }
    if (sb.length() > 0) {
        sb.deleteCharAt(sb.length() - 1);
    }

    return sb.toString();
}

或者，如果您至少安装了 Java 8，则可以在此方法中使用流：

public String toString() {
    return Arrays.asList(data).stream()
        .limit(len)
        .map(Element::toString)
        .collect(Collectors.joining(","));
}