一、沉默王二-集合框架
1、PriorityQueue
PriorityQueue 是 Java 中的一个基于优先级堆的优先队列实现，它能够在 O(log n) 的时间复杂度内实现元素的插入和删除操作，并且能够自动维护队列中元素的优先级顺序。
PriorityQueue 是一个非常常用的数据结构，它是一种特殊的堆（Heap）实现，可以用来高效地维护一个有序的集合。
- 它的底层实现是一个数组，通过堆的性质来维护元素的顺序。
- 取出元素时按照优先级顺序（从小到大或者从大到小）进行取出。
- 如果需要指定排序，元素必须实现 Comparable 接口或者传入一个 Comparator 来进行比较。
由于 PriorityQueue 的底层是基于堆实现的，因此在数据量比较大时，使用 PriorityQueue 可以获得较好的时间复杂度。
这里牵涉到了大小关系，元素大小的评判可以通过元素本身的自然顺序（natural ordering），也可以通过构造时传入的比较器（Comparator，或者元素自身实现 Comparable 接口）来决定。
在 PriorityQueue 中，每个元素都有一个优先级，这个优先级决定了元素在队列中的位置。队列内部通过小顶堆（也可以是大顶堆）的方式来维护元素的优先级关系。具体来说，小顶堆是一个完全二叉树，任何一个非叶子节点的权值，都不大于其左右子节点的权值，这样保证了队列的顶部元素（堆顶）一定是优先级最高的元素。
上图中我们给每个元素按照层序遍历的方式进行了编号，如果你足够细心，会发现父节点和子节点的编号是有联系的，更确切的说父子节点的编号之间有如下关系：
leftNo = parentNo*2+1
rightNo = parentNo*2+2
parentNo = (nodeNo-1)/2
通过上述三个公式，可以轻易计算出某个节点的父节点以及子节点的下标。这也就是为什么可以直接用数组来存储堆的原因。
1）add()和 offer()
add(E e)和offer(E e)的语义相同，都是向优先队列中插入元素，只是Queue接口规定二者对插入失败时的处理不同，前者在插入失败时抛出异常，后则则会返回false。对于PriorityQueue这两个方法其实没什么差别。
新加入的元素可能会破坏小顶堆的性质，因此需要进行必要的调整。
//offer(E e)
public boolean offer(E e) {
if (e == null)//不允许放入null元素
throw new NullPointerException();
modCount++;
int i = size;
if (i >= queue.length)
grow(i + 1);//自动扩容
size = i + 1;
if (i == 0)//队列原来为空，这是插入的第一个元素
queue[0] = e;
else
siftUp(i, e);//调整
return true;
}
上述代码中，扩容函数grow()类似于ArrayList里的grow()函数，就是再申请一个更大的数组，并将原数组的元素复制过去，这里不再赘述。需要注意的是siftUp(int k, E x)方法，该方法用于插入元素x并维持堆的特性。
//siftUp()
private void siftUp(int k, E x) {
while (k > 0) {
int parent = (k - 1) >>> 1;//parentNo = (nodeNo-1)/2
Object e = queue[parent];
if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)//调用比较器的比较方法
break;
queue[k] = e;
k = parent;
}
queue[k] = x;
}
调整的过程为：从k指定的位置开始，将x逐层与当前点的parent进行比较并交换，直到满足x >= queue[parent]为止。注意这里的比较可以是元素的自然顺序，也可以是依靠比较器的顺序。
2）element()和 peek()
element()和peek()的语义完全相同，都是获取但不删除队首元素，也就是队列中权值最小的那个元素，二者唯一的区别是当方法失败时前者抛出异常，后者返回null。根据小顶堆的性质，堆顶那个元素就是全局最小的那个；由于堆用数组表示，根据下标关系，0下标处的那个元素既是堆顶元素。所以直接返回数组0下标处的那个元素即可。
代码也就非常简洁：
//peek()
public E peek() {
if (size == 0)
return null;
return (E) queue[0];//0下标处的那个元素就是最小的那个
}
3）remove()和 poll()
remove()和poll()方法的语义也完全相同，都是获取并删除队首元素，区别是当方法失败时前者抛出异常，后者返回null。由于删除操作会改变队列的结构，为维护小顶堆的性质，需要进行必要的调整。
代码如下：
public E poll() {
if (size == 0)
return null;
int s = --size;
modCount++;
E result = (E) queue[0];//0下标处的那个元素就是最小的那个
E x = (E) queue[s];
queue[s] = null;
if (s != 0)
siftDown(0, x);//调整
return result;
}
上述代码首先记录0下标处的元素，并用最后一个元素替换0下标位置的元素，之后调用siftDown()方法对堆进行调整，最后返回原来0下标处的那个元素（也就是最小的那个元素）。
重点是siftDown(int k, E x)方法，该方法的作用是从k指定的位置开始，将x逐层向下与当前点的左右孩子中较小的那个交换，直到x小于或等于左右孩子中的任何一个为止。
//siftDown()
private void siftDown(int k, E x) {
int half = size >>> 1;
while (k < half) {
//首先找到左右孩子中较小的那个，记录到c里，并用child记录其下标
int child = (k << 1) + 1;//leftNo = parentNo*2+1
Object c = queue[child];
int right = child + 1;
if (right < size &&
comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)
break;
queue[k] = c;//然后用c取代原来的值
k = child;
}
queue[k] = x;
}
4）remove(Object o)
remove(Object o)方法用于删除队列中跟o相等的某一个元素（如果有多个相等，只删除一个），该方法不是Queue接口内的方法，而是Collection接口的方法。由于删除操作会改变队列结构，所以要进行调整；又由于删除元素的位置可能是任意的，所以调整过程比其它方法稍加繁琐。
具体来说，remove(Object o)可以分为 2 种情况：
- 删除的是最后一个元素。直接删除即可，不需要调整。
- 删除的不是最后一个元素，从删除点开始以最后一个元素为参照调用一次
siftDown()即可。
具体代码如下：
//remove(Object o)
public boolean remove(Object o) {
//通过遍历数组的方式找到第一个满足o.equals(queue[i])元素的下标
int i = indexOf(o);
if (i == -1)
return false;
int s = --size;
if (s == i) //情况1
queue[i] = null;
else {
E moved = (E) queue[s];
queue[s] = null;
siftDown(i, moved);//情况2
......
}
return true;
}
2.ArrayList和LinkedList的区别
1）ArrayList 如何实现？
ArrayList 实现了 List 接口，继承了 AbstractList 抽象类。
底层是基于数组实现的，并且实现了动态扩容（当需要添加新元素时，如果 elementData 数组已满，则会自动扩容，新的容量将是原来的 1.5 倍），来看一下 ArrayList 的部分源码。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 默认容量为 10
transient Object[] elementData; // 存储元素的数组，数组类型为 Object
private int size; // 列表的大小，即列表中元素的个数
}
这段代码是Java中ArrayList类的定义部分，ArrayList是Java集合框架的一部分，提供一个动态数组的实现。以下是代码中各个部分的解释：
public class ArrayList<E>：声明了一个公开的泛型类ArrayList，其中<E>表示可以存储任意类型的元素。extends AbstractList<E>：表示ArrayList类继承自AbstractList类，AbstractList是一个实现了List接口的抽象类，提供了一些基本的列表功能。implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable：ArrayList实现了多个接口：List<E>：表明ArrayList是一个列表，提供了列表的基本操作。RandomAccess：指示这个列表是一个快速随机访问的列表。Cloneable：表示此类的实例可以被克隆。java.io.Serializable：此类的实例可以被序列化，使得对象可以被写入流中。
序列化是什么意思呢？Java 的序列化是指，将对象转换成以字节序列的形式来表示，这些字节序中包含了对象的字段和方法。序列化后的对象可以被写到数据库、写到文件，也可用于网络传输。
序列化的时候，如果把整个数组都序列化的话，是不是就多序列化了 4 个内存空间。当存储的元素数量非常非常多的时候，闲置的空间就非常非常大，序列化耗费的时间就会非常非常多。
于是，ArrayList 做了一个愉快而又聪明的决定，内部提供了两个私有方法 writeObject 和 readObject 来完成序列化和反序列化。
2）LinkedList 如何实现？
LinkedList 是一个继承自 AbstractSequentialList 的双向链表，因此它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
在Java中，继承和实现是两种不同的概念，主要区别如下：
1. 继承（Inheritance）
- 定义：继承是指一个类（子类）从另一个类（父类）获取属性和方法的机制。
- 关键字：使用
extends关键字。 - 特点：
- 子类可以重用父类的代码，避免重复。
- 子类可以重写父类的方法，以实现特定的行为。
- 一个类只能继承一个父类（单继承），但可以实现多个接口。
2. 实现（Implementation）
- 定义：实现是指一个类实现一个或多个接口，提供接口中定义的方法的具体实现。
- 关键字：使用
implements关键字。 - 特点：
- 接口只定义方法的签名，不提供具体实现，类需要提供实现。
- 一个类可以实现多个接口（多重实现），这使得Java支持多重继承的特性。
- 接口可以被多个类实现，促进了代码的灵活性和可扩展性。
总结
- 继承用于类与类之间的关系，强调的是“是一个”（is-a）关系。
- 实现用于类与接口之间的关系，强调的是“可以做”（can-do）关系。
List和Queue等是接口，而LinkedList是一个具体的类，它实现了这些接口并提供了具体的功能。AbstractSequentialList是一个抽象类，它可以被其他类继承并实现其方法。
来看一下部分源码：
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
transient int size = 0; // 非序列化字段，表示链表中的节点个数
transient Node<E> first; // 非序列化字段，指向链表中的第一个节点
transient Node<E> last; // 非序列化字段，指向链表中的最后一个节点
// ...
}
LinkedList 实现了 Cloneable 接口，这表明 LinkedList 是支持拷贝的。
LinkedList 还实现了 Serializable 接口，这表明 LinkedList 是支持序列化的。眼睛雪亮的小伙伴可能又注意到了，LinkedList 中的关键字段 size、first、last 都使用了 transient 关键字修饰，这不又矛盾了吗？到底是想序列化还是不想序列化？
LinkedList 在序列化的时候只保留了元素的内容 item，并没有保留元素的前后引用。这样就节省了不少内存空间。
3）二者区别与适用场景
当需要频繁随机访问元素的时候，例如读取大量数据并进行处理或者需要对数据进行排序或查找的场景，可以使用 ArrayList。例如一个学生管理系统，需要对学生列表进行排序或查找操作，可以使用 ArrayList 存储学生信息，以便快速访问和处理。
当需要频繁插入和删除元素的时候，例如实现队列或栈，或者需要在中间插入或删除元素的场景，可以使用 LinkedList。例如一个实时聊天系统，需要实现一个消息队列，可以使用 LinkedList 存储消息，以便快速插入和删除消息。
在一些特殊场景下，可能需要同时支持随机访问和插入/删除操作。例如一个在线游戏系统，需要实现一个玩家列表，需要支持快速查找和遍历玩家，同时也需要支持玩家的加入和离开。在这种情况下，可以使用 LinkedList 和 ArrayList 的组合，例如使用 LinkedList 存储玩家，以便快速插入和删除玩家，同时使用 ArrayList 存储玩家列表，以便快速查找和遍历玩家。
