Очередь приоритетов C#
Я ищу приоритетную очередь с таким интерфейсом:
class PriorityQueue<T>
{
public void Enqueue(T item, int priority)
{
}
public T Dequeue()
{
}
}
Все реализации, которые я видел, предполагают, что item является IComparable но мне не нравится такой подход; Я хочу указать приоритет, когда я помещаю его в очередь.
Если готовой реализации не существует, каков наилучший способ сделать это сам? Какую базовую структуру данных я должен использовать? Какое-то самобалансирующееся дерево или как? Стандартная структура C#.net была бы хороша.
10 ответов
Если у вас есть существующая реализация очереди приоритетов, основанная на IComparable, вы можете легко использовать ее для построения необходимой вам структуры:
public class CustomPriorityQueue<T> // where T need NOT be IComparable
{
private class PriorityQueueItem : IComparable<PriorityQueueItem>
{
private readonly T _item;
private readonly int _priority:
// obvious constructor, CompareTo implementation and Item accessor
}
// the existing PQ implementation where the item *does* need to be IComparable
private readonly PriorityQueue<PriorityQueueItem> _inner = new PriorityQueue<PriorityQueueItem>();
public void Enqueue(T item, int priority)
{
_inner.Enqueue(new PriorityQueueItem(item, priority));
}
public T Dequeue()
{
return _inner.Dequeue().Item;
}
}
Вы можете добавить проверки безопасности, а что нет, но вот очень простая реализация с использованием SortedList:
class PriorityQueue<T> {
SortedList<Pair<int>, T> _list;
int count;
public PriorityQueue() {
_list = new SortedList<Pair<int>, T>(new PairComparer<int>());
}
public void Enqueue(T item, int priority) {
_list.Add(new Pair<int>(priority, count), item);
count++;
}
public T Dequeue() {
T item = _list[_list.Keys[0]];
_list.RemoveAt(0);
return item;
}
}
Я предполагаю, что меньшие значения priority соответствуют элементам с более высоким приоритетом (это легко изменить).
Если несколько потоков будут обращаться к очереди, вам также потребуется добавить механизм блокировки. Это легко, но дайте мне знать, если вам нужно руководство здесь.
SortedList реализован внутри как двоичное дерево.
Приведенная выше реализация требует следующих вспомогательных классов. Это адрес комментария Лассе В. Карлсена о том, что элементы с одинаковым приоритетом не могут быть добавлены с использованием наивной реализации с использованием SortedList,
class Pair<T> {
public T First { get; private set; }
public T Second { get; private set; }
public Pair(T first, T second) {
First = first;
Second = second;
}
public override int GetHashCode() {
return First.GetHashCode() ^ Second.GetHashCode();
}
public override bool Equals(object other) {
Pair<T> pair = other as Pair<T>;
if (pair == null) {
return false;
}
return (this.First.Equals(pair.First) && this.Second.Equals(pair.Second));
}
}
class PairComparer<T> : IComparer<Pair<T>> where T : IComparable {
public int Compare(Pair<T> x, Pair<T> y) {
if (x.First.CompareTo(y.First) < 0) {
return -1;
}
else if (x.First.CompareTo(y.First) > 0) {
return 1;
}
else {
return x.Second.CompareTo(y.Second);
}
}
}
Вот очень простая облегченная реализация, которая имеет производительность O(log(n)) как для push, так и для pop. Он использует структуру данных кучи, построенную поверх List
/// <summary>Implements a priority queue of T, where T has an ordering.</summary>
/// Elements may be added to the queue in any order, but when we pull
/// elements out of the queue, they will be returned in 'ascending' order.
/// Adding new elements into the queue may be done at any time, so this is
/// useful to implement a dynamically growing and shrinking queue. Both adding
/// an element and removing the first element are log(N) operations.
///
/// The queue is implemented using a priority-heap data structure. For more
/// details on this elegant and simple data structure see "Programming Pearls"
/// in our library. The tree is implemented atop a list, where 2N and 2N+1 are
/// the child nodes of node N. The tree is balanced and left-aligned so there
/// are no 'holes' in this list.
/// <typeparam name="T">Type T, should implement IComparable[T];</typeparam>
public class PriorityQueue<T> where T : IComparable<T> {
/// <summary>Clear all the elements from the priority queue</summary>
public void Clear () {
mA.Clear ();
}
/// <summary>Add an element to the priority queue - O(log(n)) time operation.</summary>
/// <param name="item">The item to be added to the queue</param>
public void Add (T item) {
// We add the item to the end of the list (at the bottom of the
// tree). Then, the heap-property could be violated between this element
// and it's parent. If this is the case, we swap this element with the
// parent (a safe operation to do since the element is known to be less
// than it's parent). Now the element move one level up the tree. We repeat
// this test with the element and it's new parent. The element, if lesser
// than everybody else in the tree will eventually bubble all the way up
// to the root of the tree (or the head of the list). It is easy to see
// this will take log(N) time, since we are working with a balanced binary
// tree.
int n = mA.Count; mA.Add (item);
while (n != 0) {
int p = n / 2; // This is the 'parent' of this item
if (mA[n].CompareTo (mA[p]) >= 0) break; // Item >= parent
T tmp = mA[n]; mA[n] = mA[p]; mA[p] = tmp; // Swap item and parent
n = p; // And continue
}
}
/// <summary>Returns the number of elements in the queue.</summary>
public int Count {
get { return mA.Count; }
}
/// <summary>Returns true if the queue is empty.</summary>
/// Trying to call Peek() or Next() on an empty queue will throw an exception.
/// Check using Empty first before calling these methods.
public bool Empty {
get { return mA.Count == 0; }
}
/// <summary>Allows you to look at the first element waiting in the queue, without removing it.</summary>
/// This element will be the one that will be returned if you subsequently call Next().
public T Peek () {
return mA[0];
}
/// <summary>Removes and returns the first element from the queue (least element)</summary>
/// <returns>The first element in the queue, in ascending order.</returns>
public T Next () {
// The element to return is of course the first element in the array,
// or the root of the tree. However, this will leave a 'hole' there. We
// fill up this hole with the last element from the array. This will
// break the heap property. So we bubble the element downwards by swapping
// it with it's lower child until it reaches it's correct level. The lower
// child (one of the orignal elements with index 1 or 2) will now be at the
// head of the queue (root of the tree).
T val = mA[0];
int nMax = mA.Count - 1;
mA[0] = mA[nMax]; mA.RemoveAt (nMax); // Move the last element to the top
int p = 0;
while (true) {
// c is the child we want to swap with. If there
// is no child at all, then the heap is balanced
int c = p * 2; if (c >= nMax) break;
// If the second child is smaller than the first, that's the one
// we want to swap with this parent.
if (c + 1 < nMax && mA[c + 1].CompareTo (mA[c]) < 0) c++;
// If the parent is already smaller than this smaller child, then
// we are done
if (mA[p].CompareTo (mA[c]) <= 0) break;
// Othewise, swap parent and child, and follow down the parent
T tmp = mA[p]; mA[p] = mA[c]; mA[c] = tmp;
p = c;
}
return val;
}
/// <summary>The List we use for implementation.</summary>
List<T> mA = new List<T> ();
}
Вы можете написать обертку вокруг одной из существующих реализаций, которая изменяет интерфейс по вашему усмотрению:
using System;
class PriorityQueueThatYouDontLike<T> where T: IComparable<T>
{
public void Enqueue(T item) { throw new NotImplementedException(); }
public T Dequeue() { throw new NotImplementedException(); }
}
class PriorityQueue<T>
{
class ItemWithPriority : IComparable<ItemWithPriority>
{
public ItemWithPriority(T t, int priority)
{
Item = t;
Priority = priority;
}
public T Item {get; private set;}
public int Priority {get; private set;}
public int CompareTo(ItemWithPriority other)
{
return Priority.CompareTo(other.Priority);
}
}
PriorityQueueThatYouDontLike<ItemWithPriority> q = new PriorityQueueThatYouDontLike<ItemWithPriority>();
public void Enqueue(T item, int priority)
{
q.Enqueue(new ItemWithPriority(item, priority));
}
public T Dequeue()
{
return q.Dequeue().Item;
}
}
Это то же самое, что и предложение Итоулсона. Мне просто потребовалось больше времени, чтобы написать свой, потому что я заполнил больше методов.:-s
Именно этот интерфейс используется моей высокооптимизированной приоритетной очередью C#.
Он был разработан специально для приложений поиска пути (A* и т. Д.), Но должен отлично работать и для любого другого приложения.
Единственная возможная проблема заключается в том, что для того, чтобы выжать абсолютную максимальную производительность, реализация требует, чтобы значения, поставленные в очередь, расширялись. PriorityQueueNode,
public class User : PriorityQueueNode
{
public string Name { get; private set; }
public User(string name)
{
Name = name;
}
}
...
HeapPriorityQueue<User> priorityQueue = new HeapPriorityQueue<User>(MAX_USERS_IN_QUEUE);
priorityQueue.Enqueue(new User("Jason"), 1);
priorityQueue.Enqueue(new User("Joseph"), 10);
//Because it's a min-priority queue, the following line will return "Jason"
User user = priorityQueue.Dequeue();
Что такого ужасного в этом?
class PriorityQueue<TItem, TPriority> where TPriority : IComparable
{
private SortedList<TPriority, Queue<TItem>> pq = new SortedList<TPriority, Queue<TItem>>();
public int Count { get; private set; }
public void Enqueue(TItem item, TPriority priority)
{
++Count;
if (!pq.ContainsKey(priority)) pq[priority] = new Queue<TItem>();
pq[priority].Enqueue(item);
}
public TItem Dequeue()
{
--Count;
var queue = pq.ElementAt(0).Value;
if (queue.Count == 1) pq.RemoveAt(0);
return queue.Dequeue();
}
}
class PriorityQueue<TItem> : PriorityQueue<TItem, int> { }
.NET6 наконец-то предлагает API для PriorityQueue
Смотрите здесь
Я понимаю, что ваш вопрос специально требует реализации, не основанной на ICompable, но я хочу отметить недавнюю статью Visual Studio Magazine,
http://visualstudiomagazine.com/articles/2012/11/01/priority-queues-with-c.aspx
Эта статья с @itowlson's может дать полный ответ.
Немного поздно, но я добавлю это здесь для справки
https://github.com/ERufian/Algs4-CSharp
Очереди приоритетов пары ключ-значение реализованы в Algs4/IndexMaxPQ.cs, Algs4/IndexMinPQ.cs и Algs4/IndexPQDictionary.cs
Заметки:
- Если Приоритеты не являются IComparable, IComparer может быть указан в конструкторе
- Вместо постановки в очередь объекта и его приоритета ставится в очередь индекс и его приоритет (и для первоначального вопроса потребуется отдельный список или T[], чтобы преобразовать этот индекс в ожидаемый результат)
Похоже, вы могли бы бросить свой собственный с сериями очередей, по одному на каждый приоритет. Словарь и просто добавьте его в соответствующий.