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p05_implement_a_priority_queue.md

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1.5 实现一个优先级队列

问题

怎样实现一个按优先级排序的队列？ 并且在这个队列上面每次 pop 操作总是返回优先级最高的那个元素

解决方案

下面的类利用 heapq 模块实现了一个简单的优先级队列：

import heapq

class PriorityQueue:
    def __init__(self):
        self._queue = []
        self._index = 0

    def push(self, item, priority):
        heapq.heappush(self._queue, (-priority, self._index, item))
        self._index += 1

    def pop(self):
        return heapq.heappop(self._queue)[-1]

下面是它的使用方式：

>>> class Item:
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name
...     def __repr__(self):
...         return 'Item({!r})'.format(self.name)
...
>>> q = PriorityQueue()
>>> q.push(Item('foo'), 1)
>>> q.push(Item('bar'), 5)
>>> q.push(Item('spam'), 4)
>>> q.push(Item('grok'), 1)
>>> q.pop()
Item('bar')
>>> q.pop()
Item('spam')
>>> q.pop()
Item('foo')
>>> q.pop()
Item('grok')
>>>

仔细观察可以发现，第一个 pop() 操作返回优先级最高的元素。 另外注意到如果两个有着相同优先级的元素（ foo 和 grok ），pop 操作按照它们被插入到队列的顺序返回的。

讨论

这一小节我们主要关注 heapq 模块的使用。 函数 heapq.heappush() 和 heapq.heappop() 分别在队列 _queue 上插入和删除第一个元素， 并且队列 _queue 保证第一个元素拥有最高优先级（ 1.4 节已经讨论过这个问题）。 heappop() 函数总是返回”最小的”的元素，这就是保证队列pop操作返回正确元素的关键。 另外，由于 push 和 pop 操作时间复杂度为 O(log N)，其中 N 是堆的大小，因此就算是 N 很大的时候它们运行速度也依旧很快。

在上面代码中，队列包含了一个 (-priority, index, item) 的元组。 优先级为负数的目的是使得元素按照优先级从高到低排序。 这个跟普通的按优先级从低到高排序的堆排序恰巧相反。

index 变量的作用是保证同等优先级元素的正确排序。 通过保存一个不断增加的 index 下标变量，可以确保元素按照它们插入的顺序排序。 而且， index 变量也在相同优先级元素比较的时候起到重要作用。