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JS 实现优先队列

Jan 10, 2018  |  JavaScript  |  Algorithm

完整代码 on GitHub Gist

今天看了《算法(第四版)》的优先队列一章, 原文是用 Java 编写的, 我们现在来用 JavaScript 实现一下, 也顺便复习一下这章节的内容.

首先我们看一下维基上对于优先队列的定义:

优先队列是计算机科学中的一类抽象数据类型。优先队列中的每个元素都有各自的优先级,优先级最高的元素最先得到服务;优先级相同的元素按照其在优先队列中的顺序得到服务。

翻译一下就是, 优先队列和普通队列不同, 队列里的元素是有优先级的, 元素入队之后, 优先级高的先出队.

为了简化代码, 并且假设内部使用数组来存储数据, 其中元素都是整数, 整数的大小就是其优先级, 我们首先来声明构造函数 PriorityQueue:

const PriorityQueue = function () {
  this.data = [];
};

PriorityQueue.prototype.enqueue = function (...ele){};
PriorityQueue.prototype.dequeue = function (){};

接下来就是重点的入队和出队方法.

我们先来思考一下队列内部数组的元素结构, 当这个数组始终保持有序的时候, 我们每次出队可以迅速找到最大元素, 但是每次入队, 为了保持有序的特性, 其实就是插入排序中的一次插入; 反过来, 当这个数组不强制有序的时候, 我们可以直接加到队列末尾, 但是出队的时候需要遍历整个数组找到最大元素. 两种方式不论哪种都存在一个性能瓶颈.

那么我们换个思路, 我们并不是每次都需要队列整体有序, 只需要队列最前面的元素是最大的元素即可, 这正好就是堆的特性, 不论是入队还是出队, 我们都可以给数组建一次堆, 让最大元素始终处在最前的位置, 时间复杂度对比如下:

数据结构 入队 出队
有序数组 O(N) 1
无序数组 1 O(N)
O(logN) O(logN)

可以看出, 当 N 足够大的时候, 使用堆的综合效率是要远高于前两者的.

首先我们来实现几个基础方法:

// 判断队列是否为空
PriorityQueue.prototype.isEmpty = function() {
  return 0 === this.data.length;
};

// 比较队列中元素优先级大小
PriorityQueue.prototype.less = function(i, j) {
  return this.data[i] < this.data[j];
};

// 交换队列中元素位置
PriorityQueue.prototype.swap = function (i, j) {
  let tmp = this.data[i];
  this.data[i] = this.data[j];
  this.data[j] = tmp;
};

那么首先来完成 enqueue 方法, 照旧, 选择最简单的二叉堆来使用, 假设我们把内部数组看做一个二叉树的话, 那么在每次在树的最后插入元素后, 我们需要 由下至上 的将新加入的元素根据优先级提升到本应该在的位置:

PriorityQueue.prototype.enqueue = function (...ele) {
  this.data.push(...ele);
  this.data.unshift(null); // 加入头元素, 方便从1开始遍历二叉堆
  for (let i = parseInt((this.data.length - 1) / 2); i >= 1; i--) {
    if (this.less(i, i * 2)) this.swap(i, i * 2);
    if (this.data[i * 2 + 1] !== undefined && this.less(i, i * 2 + 1)) this.swap(i, i * 2 + 1);
  }
  this.data.shift();
};

然后是 dequeue 方法, 最简单的做法就是拿出数组第一个元素之后, 重新建堆, 那有没有更快的方法呢?《算法(第四版)》中提供了这样一个思路:

在最大元素出队之后, 如果我们从第二个元素开始建堆, 那么整个二叉树的形状都发生改变了, 可能实际的交换次数会很多, 那么我们换一个方式, 把整个队列的最后一个元素放到二叉堆根的位置, 再 由上至下 地将父元素和子元素对比, 如果比子元素优先级小, 则下沉父元素, 再用同样方式处理替换过的子元素, 直到堆根下沉到应该在的位置, 代码如下:

PriorityQueue.prototype.dequeue = function () {
  if (this.isEmpty()) return undefined;

  const result = this.data.shift();
  this.data = [null, this.data[this.data.length - 1], ...this.data.slice(0, this.data.length - 1)];
  for (let i = 1; i <= parseInt((this.data.length - 1) / 2);) {
    let j = 2 * i;
    if (j < this.data.length - 1 && this.less(j, j + 1)) j++;
    if (!this.less(i, j)) break;
    this.swap(i, j);
    i = j;
  }
  this.data.shift();
  return result;
};

测试代码:

const pq = new PriorityQueue();
pq.enqueue(1, 13, 3);
pq.enqueue(31, 3);
pq.enqueue(22);
console.log(pq.dequeue()); // 31
console.log(pq.dequeue()); // 22
console.log(pq.dequeue()); // 13
console.log(pq.dequeue()); // 3
console.log(pq.dequeue()); // 3
console.log(pq.dequeue()); // 1

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