Go高级特性探究之优先级队列详解

什么是heap

Heap 是一种数据结构，其中包含一个特殊的根节点，且每个节点的值都不小于（或不大于）其所有子节点的值。这种数据结构常用于实现优先队列。

Heap的数据结构

Heap 可以通过一个数组来实现，这个数组满足以下条件：

和二叉搜索树不同，堆并不需要满足左子节点小于父节点的值，右子节点大于父节点的值的条件。
堆中的一些列节点按照某种特定的顺序排列。这样的顺序可以是最小的元素在最前面，也可以是最大的元素在最前面。这个顺序满足父节点一定小于（或大于）它的所有子节点。
堆中的元素数量不一定是满的，也就是说堆并不一定是一个完全二叉树。

堆具有以下属性。

任何节点都小于（或大于）其所有后代，并且最小元素（或最大元素）位于堆的根（堆有序性）。
堆始终是一棵完整的树。即各级节点都填充除底层以外的元素，并且底层尽可能从左到右填充。

完全二叉树和满二叉树的区别如下所示。

根节点最大的堆称为最大堆或大根堆，根节点最小的堆称为最小堆或小根堆。

由于堆是完全二叉树，因此它们可以表示为顺序数组，如下所示。

如何实现优先级队列

优先队列是一种数据结构，其中每个元素都有一个优先级，优先级高的元素在前面，优先级相同时按照插入顺序排列。可以使用堆来实现优先队列。实现优先队列的关键是将一个元素添加到队列中，并保持队列中的元素有序。如果使用数组来存储元素，需要频繁对数组进行调整，时间复杂度是O(n)，不够高效。如果使用堆来存储元素，则可以在插入时进行堆化，时间复杂度是O(nlogn)。

在堆中，节点的位置与它们在数组中的位置有一定的关系。例如，根节点位于数组的第一个元素，其他节点依次排列。左子节点位于(2i),右子节点位于(2i+1)，父节点位于(i/2)。这个关系可以方便地实现在数组上进行堆化的操作。

为什么需要使用优先级队列

优先级队列是一种非常有用的数据结构，在很多应用中都会被广泛使用。比如作业调度、事件管理等领域，都需要使用优先级队列来帮助处理任务以及事件等的优先级顺序。

优点和缺点

优点

简单高效：优先级队列的实现较为简单，查找和插入等操作都可以在 O(log(n))O(log(n))O(log(n)) 的时间复杂度内完成，所以在实现简单的情况下，可以极大提高程序性能。
优先级：优先级队列可以根据任务或者事件的优先级，对其按照优先级大小进行排序，并在需要的时候依次处理。

缺点

空间占用：优先级队列需要占用额外的内存空间，以存储任务和事件的优先级信息。
任务时效性：当优先级较高的任务过多时，可能会导致低优先级任务的响应延迟，从而影响任务的时效性。

heap PriorityQueue实现

代码来自github.com/hashicorp/vault/blob/main/sdk/queue/priority_queue.go

package go_pool_priority
import (
\”container/heap\”
\”errors\”
\”sync\”
\”github.com/mitchellh/copystructure\”
)
// ErrEmpty is returned for queues with no items
var ErrEmpty = errors.New(\”queue is empty\”)
// ErrDuplicateItem is returned when the queue attmepts to push an item to a key that
// already exists. The queue does not attempt to update, instead returns this
// error. If an Item needs to be updated or replaced, pop the item first.
var ErrDuplicateItem = errors.New(\”duplicate item\”)
// New initializes the internal data structures and returns a new
// PriorityQueue
func NewPriorityQueue() *PriorityQueue {
pq := PriorityQueue{
data: make(queue, 0),
dataMap: make(map[string]*Item),
}
heap.Init(&pq.data)
return &pq
}
// PriorityQueue facilitates queue of Items, providing Push, Pop, and
// PopByKey convenience methods. The ordering (priority) is an int64 value
// with the smallest value is the highest priority. PriorityQueue maintains both
// an internal slice for the queue as well as a map of the same items with their
// keys as the index. This enables users to find specific items by key. The map
// must be kept in sync with the data slice.
// See https://golang.org/pkg/container/heap/#example__priorityQueue
type PriorityQueue struct {
// data is the internal structure that holds the queue, and is operated on by
// heap functions
data queue
// dataMap represents all the items in the queue, with unique indexes, used
// for finding specific items. dataMap is kept in sync with the data slice
dataMap map[string]*Item
// lock is a read/write mutex, and used to facilitate read/write locks on the
// data and dataMap fields
lock sync.RWMutex
}
// queue is the internal data structure used to satisfy heap.Interface. This
// prevents users from calling Pop and Push heap methods directly
type queue []*Item
// Item is something managed in the priority queue
type Item struct {
// Key is a unique string used to identify items in the internal data map
Key string
// Value is an unspecified type that implementations can use to store
// information
Value interface{}
// Priority determines ordering in the queue, with the lowest value being the
// highest priority
Priority int64
// index is an internal value used by the heap package, and should not be
// modified by any consumer of the priority queue
index int
}
// Len returns the count of items in the Priority Queue
func (pq *PriorityQueue) Len() int {
pq.lock.RLock()
defer pq.lock.RUnlock()
return pq.data.Len()
}
// Pop pops the highest priority item from the queue. This is a
// wrapper/convenience method that calls heap.Pop, so consumers do not need to
// invoke heap functions directly
func (pq *PriorityQueue) Pop() (*Item, error) {
pq.lock.Lock()
defer pq.lock.Unlock()
if pq.data.Len() == 0 {
return nil, ErrEmpty
}
item := heap.Pop(&pq.data).(*Item)
delete(pq.dataMap, item.Key)
return item, nil
}
// Push pushes an item on to the queue. This is a wrapper/convenience
// method that calls heap.Push, so consumers do not need to invoke heap
// functions directly. Items must have unique Keys, and Items in the queue
// cannot be updated. To modify an Item, users must first remove it and re-push
// it after modifications
func (pq *PriorityQueue) Push(i *Item) error {
if i == nil || i.Key == \”\” {
return errors.New(\”error adding item: Item Key is required\”)
}
pq.lock.Lock()
defer pq.lock.Unlock()
if _, ok := pq.dataMap[i.Key]; ok {
return ErrDuplicateItem
}
// Copy the item value(s) so that modifications to the source item does not
// affect the item on the queue
clone, err := copystructure.Copy(i)
if err != nil {
return err
}
pq.dataMap[i.Key] = clone.(*Item)
heap.Push(&pq.data, clone)
return nil
}
// PopByKey searches the queue for an item with the given key and removes it
// from the queue if found. Returns nil if not found. This method must fix the
// queue after removing any key.
func (pq *PriorityQueue) PopByKey(key string) (*Item, error) {
pq.lock.Lock()
defer pq.lock.Unlock()
item, ok := pq.dataMap[key]
if !ok {
return nil, nil
}
// Remove the item the heap and delete it from the dataMap
itemRaw := heap.Remove(&pq.data, item.index)
delete(pq.dataMap, key)
if itemRaw != nil {
if i, ok := itemRaw.(*Item); ok {
return i, nil
}
}
return nil, nil
}
// Len returns the number of items in the queue data structure. Do not use this
// method directly on the queue, use PriorityQueue.Len() instead.
func (q queue) Len() int { return len(q) }
// Less returns whether the Item with index i should sort before the Item with
// index j in the queue. This method is used by the queue to determine priority
// internally; the Item with the lower value wins. (priority zero is higher
// priority than 1). The priority of Items with equal values is undetermined.
func (q queue) Less(i, j int) bool {
return q[i].Priority < q[j].Priority
}
// Swap swaps things in-place; part of sort.Interface
func (q queue) Swap(i, j int) {
q[i], q[j] = q[j], q[i]
q[i].index = i
q[j].index = j
}
// Push is used by heap.Interface to push items onto the heap. This method is
// invoked by container/heap, and should not be used directly.
// See: https://golang.org/pkg/container/heap/#Interface
func (q *queue) Push(x interface{}) {
n := len(*q)
item := x.(*Item)
item.index = n
*q = append(*q, item)
}
// Pop is used by heap.Interface to pop items off of the heap. This method is
// invoked by container/heap, and should not be used directly.
// See: https://golang.org/pkg/container/heap/#Interface
func (q *queue) Pop() interface{} {
old := *q
n := len(old)
item := old[n-1]
old[n-1] = nil // avoid memory leak
item.index = -1 // for safety
*q = old[0 : n-1]
return item
}

– 内部使用container/heap中的Interface接口实现堆结构；

– 提供了Push、Pop和PopByKey等一系列方法；

– 使用一个内部slice和一个以Key为索引的映射map来维护队列元素；

– 根据元素的Priority值进行优先级排序，Priority值越小表示优先级越高；

– 在Push时需要保证Key值唯一；

– PopByKey方法可以根据Key查找并移除对应的元素。

实现思路

既然，我们了解了heap的一些特性，那么我们接下来就要考虑如何用现有的数据结构，实现优先队列。

我们都知道，无论是哪一种队列，必然是存在生产者和消费者两个部分，对于优先级队列来说，更是如此。因此，咱们的实现思路，也将从这两个部分来谈。

生产者

对于生产者来说，他只需要推送一个任务及其优先级过来，咱们就得根据优先级处理他的任务。

由于，我们不大好判断，到底会有多少种不同的优先级传过来，也无法确定，每种优先级下有多少个任务要处理，所以，我们可以直接使用heap存储task

消费者

对于消费者来说，他需要获取优先级最高的任务进行消费。使用heap pop 取出优先级最高的任务即可

数据结构

（1）优先级队列对象

type PriorityQueueTask struct {
mLock sync.Mutex // 互斥锁，queues和priorities并发操作时使用，当然针对当前读多写少的场景，也可以使用读写锁
pushChan chan *task // 推送任务管道
pq *PriorityQueue
}

（2）任务对象

type task struct {
priority int64 // 任务的优先级
value interface{}
key string
}

初始化优先级队列对象

在初始化对象时，需要先通过 NewPriorityQueue() 函数创建一个空的 PriorityQueue，然后再创建一个 PriorityQueueTask 对象，并将刚刚创建的 PriorityQueue 赋值给该对象的 pq 属性。同时，还要创建一个用于接收推送任务的管道，用于在生产者推送任务时，将新任务添加到队列中。

func NewPriorityQueueTask() *PriorityQueueTask {
pq := &PriorityQueueTask{
pushChan: make(chan *task, 100),
pq: NewPriorityQueue(),
}
// 监听pushChan
go pq.listenPushChan()
return pq
}
func (pq *PriorityQueueTask) listenPushChan() {
for {
select {
case taskEle := <-pq.pushChan:
pq.mLock.Lock()
pq.pq.Push(&Item{Key: taskEle.key, Priority: taskEle.priority, Value: taskEle.value})
pq.mLock.Unlock()
}
}
}

生产者推送任务

生产者向推送任务管道中推送新任务时，实际上是将一个 task 结构体实例发送到了管道中。在 task 结构体中，priority 属性表示这个任务的优先级，value 属性表示这个任务的值，key 属性表示这个任务的键。

// 插入work
func (pq *PriorityQueueTask) Push(priority int64, value interface{}, key string) {
pq.pushChan <- &task{
value: value,
priority: priority,
key: key,
}
}

消费者消费队列

消费者从队列中取出一个任务，然后进行相应的操作。在这段代码中，消费者轮询获取最高优先级的任务。如果没有获取到任务，则继续轮询；如果获取到了任务，则执行对应的操作。在这里，执行操作的具体形式是打印任务的编号、优先级等信息。

// Consume 消费者轮询获取最高优先级的任务
func (pq *PriorityQueueTask) Consume() {
for {
task := pq.Pop()
if task == nil {
// 未获取到任务，则继续轮询
time.Sleep(time.Millisecond)
continue
}
// 获取到了任务，就执行任务
fmt.Println(\”推送任务的编号为：\”, task.Value)
fmt.Println(\”推送的任务优先级为：\”, task.Priority)
fmt.Println(\”============\”)
}
}

完整代码

package go_pool_priority
import (
\”fmt\”
\”sync\”
\”time\”
)
type PriorityQueueTask struct {
mLock sync.Mutex // 互斥锁，queues和priorities并发操作时使用，当然针对当前读多写少的场景，也可以使用读写锁
pushChan chan *task // 推送任务管道
pq *PriorityQueue
}
type task struct {
priority int64 // 任务的优先级
value interface{}
key string
}
func NewPriorityQueueTask() *PriorityQueueTask {
pq := &PriorityQueueTask{
pushChan: make(chan *task, 100),
pq: NewPriorityQueue(),
}
// 监听pushChan
go pq.listenPushChan()
return pq
}
func (pq *PriorityQueueTask) listenPushChan() {
for {
select {
case taskEle := <-pq.pushChan:
pq.mLock.Lock()
pq.pq.Push(&Item{Key: taskEle.key, Priority: taskEle.priority, Value: taskEle.value})
pq.mLock.Unlock()
}
}
}
// 插入work
func (pq *PriorityQueueTask) Push(priority int64, value interface{}, key string) {
pq.pushChan <- &task{
value: value,
priority: priority,
key: key,
}
}
// Pop 取出最高优先级队列中的一个任务
func (pq *PriorityQueueTask) Pop() *Item {
pq.mLock.Lock()
defer pq.mLock.Unlock()
item, err := pq.pq.Pop()
if err != nil {
return nil
}
// 如果所有队列都没有任务，则返回null
return item
}
// Consume 消费者轮询获取最高优先级的任务
func (pq *PriorityQueueTask) Consume() {
for {
task := pq.Pop()
if task == nil {
// 未获取到任务，则继续轮询
time.Sleep(time.Millisecond)
continue
}
// 获取到了任务，就执行任务
fmt.Println(\”推送任务的编号为：\”, task.Value)
fmt.Println(\”推送的任务优先级为：\”, task.Priority)
fmt.Println(\”============\”)
}
}

测试用例

func TestQueue(t *testing.T) {
defer func() {
if err := recover(); err != nil {
fmt.Println(err)
}
}()
pq := NewPriorityQueueTask()
// 我们在这里，随机生成一些优先级任务
for i := 0; i < 100; i++ {
a := rand.Intn(1000)
go func(a int64) {
pq.Push(a, a, strconv.Itoa(int(a)))
}(int64(a))
}
// 这里会阻塞，消费者会轮询查询任务队列
pq.Consume()
}

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