問題

怎樣實現(xiàn)一個按優(yōu)先級排序的隊列？ 并且在這個隊列上面每次 pop 操作總是返回優(yōu)先級最高的那個元素

解決方案

下面的類利用 heapq 模塊實現(xiàn)了一個簡單的優(yōu)先級隊列：

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')
>>>

仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，第一個 pop() 操作返回優(yōu)先級最高的元素。 另外注意到如果兩個有著相同優(yōu)先級的元素（ foo 和 grok ），pop 操作按照它們被插入到隊列的順序返回的。

討論

這一小節(jié)我們主要關(guān)注 heapq 模塊的使用。 函數(shù) heapq.heappush() 和 heapq.heappop() 分別在隊列 _queue 上插入和刪除第一個元素， 并且隊列 _queue 保證第一個元素?fù)碛凶罡邇?yōu)先級（ 1.4 節(jié)已經(jīng)討論過這個問題）。 heappop() 函數(shù)總是返回”最小的”的元素，這就是保證隊列pop操作返回正確元素的關(guān)鍵。 另外，由于 push 和 pop 操作時間復(fù)雜度為 O(log N)，其中 N 是堆的大小，因此就算是 N 很大的時候它們運(yùn)行速度也依舊很快。

在上面代碼中，隊列包含了一個 (-priority, index, item) 的元組。 優(yōu)先級為負(fù)數(shù)的目的是使得元素按照優(yōu)先級從高到低排序。 這個跟普通的按優(yōu)先級從低到高排序的堆排序恰巧相反。

index 變量的作用是保證同等優(yōu)先級元素的正確排序。 通過保存一個不斷增加的 index 下標(biāo)變量，可以確保元素按照它們插入的順序排序。 而且， index 變量也在相同優(yōu)先級元素比較的時候起到重要作用。

為了闡明這些，先假定 Item 實例是不支持排序的：

>>> a = Item('foo')
>>> b = Item('bar')
>>> a < b
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: unorderable types: Item() < Item()
>>>

如果你使用元組 (priority, item) ，只要兩個元素的優(yōu)先級不同就能比較。 但是如果兩個元素優(yōu)先級一樣的話，那么比較操作就會跟之前一樣出錯：

>>> a = (1, Item('foo'))
>>> b = (5, Item('bar'))
>>> a < b
True
>>> c = (1, Item('grok'))
>>> a < c
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: unorderable types: Item() < Item()
>>>

通過引入另外的 index 變量組成三元組 (priority, index, item) ，就能很好的避免上面的錯誤， 因為不可能有兩個元素有相同的 index 值。Python 在做元組比較時候，如果前面的比較已經(jīng)可以確定結(jié)果了， 后面的比較操作就不會發(fā)生了：

>>> a = (1, 0, Item('foo'))
>>> b = (5, 1, Item('bar'))
>>> c = (1, 2, Item('grok'))
>>> a < b
True
>>> a < c
True
>>>

如果你想在多個線程中使用同一個隊列，那么你需要增加適當(dāng)?shù)逆i和信號量機(jī)制。 可以查看 12.3 小節(jié)的例子演示是怎樣做的。

heapq 模塊的官方文檔有更詳細(xì)的例子程序以及對于堆理論及其實現(xiàn)的詳細(xì)說明。

以上就是Python實現(xiàn)一個優(yōu)先級隊列的方法的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python實現(xiàn)優(yōu)先級隊列的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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