优先队列
——.NET数据结构与算法系列之四
追忆，2013年11月20日
前言
在生活中我们常常会遇到栈和队列的问题，比如放盘子、取盘子（类似栈）先进后出的集合，排队（类似队列）先进先出的集合。这两种情况在.NET里面已经有相关的类库Stack和Queue，在这里不再进行讨论，有兴趣的朋友可以百度一下这方面的资料。在这里主要讨论下优先队列，是在Queue基础上的扩展。
1.优先队列
大家所知，队列是一种先进先出的数据结构。这种行为的效果就是会最先移除结构内最早进入的数据项。然而，对于很多应用程序而言，需要一种可以把具有最高优先级的数据项最先移除的数据结构，即使这个数据项在结构中不是“最早进入的”一个。对于这类应用程序Queue有一种特殊的情况，那就是优先队列。
许多应用程序在操作中都用到了优先队列。一个很好的实例就是在计算机操作系统内的进程处理。某些进程可能有高于其他进程的优先级，比如打印机进程就有典型的低优先级。进程（或任务）通常会根据优先级进行编号，Priority(优先级)为0的进程比Priority为20的任务具有更高的优先级。
通常会把存储在优先队列中的数据项作为键值对来构造，其中关键字就是指优先级别，而值则用来识别数据项。例如，可以按照如下形式对一个操作系统进程进行定义：
struct Process
{
int priority;
string name;
}
我们不能把未修改的Queue对象用于优先队列。DeQueue方法在被调用时只会把队列中的第一个数据项移除。但是，大家可以从Queue类派生出自己的优先队列类，同时覆盖DeQueue方法来实现自己的需求。
我们把这个类称为PQueue。所有Queue的方法都可以照常使用，同时覆盖DeQueue方法来移除具有最高优先级的数据项。为了不从队列前端移除数据项，首先需要把队列的数据项写入一个数组。然后遍历整个数组从而找到具有最高优先级的数据项。最后，根据标记的数据项，就可以不考虑此标记数据项的同时对队列进行重建。
具体类的代码如下：
public struct PQItem
{
public int Priority;
public string Name;
}
public class PQueue : Queue
{
public PQueue()
{
}
public override object Dequeue()
{
object[] items;
int min;
items = this.ToArray();
min = ((PQItem)items[0]).Priority;
for (int x = 1; x <= items.GetUpperBound(0); x++)
{
if (((PQItem)items[x]).Priority < min)
{
min = ((PQItem)items[x]).Priority;
}
}
this.Clear();
int tmp;
for (tmp = 0; tmp <= items.GetUpperBound(0); tmp++)
{
if (((PQItem)items[tmp]).Priority == min &&
((PQItem)items[tmp]).Name != "")
this.Enqueue(items[tmp]);
}
return base.Dequeue();
}
}
接下来的代码说明了PDeque类的一个简单应用。急诊等待室对就诊的病人配置了优先级，心脏病突发的病人应该在割伤的病人之前进行治疗。下面这个程序模拟了三个几乎在同一时间进入急诊室的病人。分诊护士在检查完每一位病人后会分配给他们一个优先级，同时会把这些病人添加到队列内。进行治疗的第一个病人会通过Dequeue方法从队列中移除。
public static void PQueueTest()
{
SmartTechnology.PQueue erwait = new SmartTechnology.PQueue();
SmartTechnology.PQItem[] erPatient = new SmartTechnology.PQItem[3];
SmartTechnology.PQItem nextPatien;
erPatient[0].Name = "Joe Smith";
erPatient[0].Priority = 1;
erPatient[1].Name = "Mary Brown";
erPatient[1].Priority = 0;
erPatient[2].Name = "Sam Jones";
erPatient[2].Priority = 3;
for (int x = 0; x <= erPatient.GetUpperBound(0);x++ )
{
erwait.Enqueue(erPatient[x]);
}
nextPatien = (PQItem)erwait.Dequeue();
Console.WriteLine(nextPatien.Name);
}
由于”Mary Brown”拥有高于其他两位病人的优先级，所以程序的输出是”Mary Brown”。
小结
学会适当且高效地使用数据结构能使程序更一目了然、易于理解。高级程序员会认识到把程序的数据按照适当的数据结构进行组织会使得数据的处理工作更加简单。事实上，用数据抽象来思考计算机编程，问题会更容易最先得到解决问题的好的方案。
堆栈和队列可以用于解决计算机编程方面许多不同类型的问题，特别是诸如解释器和编译器这类系统编程领域的问题。
队列也有许多的应用。操作系统用队列（通过优先队列）来对进程进行排序，而且队列还时常用于模拟现实世界的过程。
源程序下载：DataStructAndAlgorithm.zip
参考书箱：<<数据结构与算法>>