一步一步学python之（26）队列-PriorityQueue优先级队列

1. 简介

优先队列是一种特殊的队列，队列中的元素按照其优先级进行排序。优先级可以由元素自身的值决定，也可以由自定义的比较规则决定。在 Python 中，可以通过 queue 模块中的 PriorityQueue 类来实现优先队列。PriorityQueue 类内部使用堆结构来实现，保证每次出队操作都能获取到优先级最高的元素。
优先队列在许多场景中都非常有用，例如任务调度（高优先级任务先执行）、消息队列（重要消息先处理）、Dijkstra 算法（最短路径优先）等。

2. PriorityQueue 类的基本操作

队列的操作其实很多都是相同或相似的，比如入队，出队等操作。只是每个特定操作可能有一些不同。

（1）创建队列

使用 queue.PriorityQueue() 可以创建一个优先队列。可以通过设置 maxsize 参数来指定队列的最大容量。如果 maxsize 小于或等于 0，则队列大小无限。
样例：

import queue

# 创建一个空的优先队列，最大容量为 3
priority_queue = queue.PriorityQueue(maxsize=3)
print("创建的优先队列：", priority_queue)

程序运行结果：

（2）入队（向队列中添加元素）

put(item, block=True, timeout=None)
将元素 item 放入队列中。如果队列已满，且 block 参数为 True，则线程会阻塞，直到队列有空间。如果 block 为 False，则会抛出 queue.Full 异常。timeout 参数指定线程阻塞等待的时间，单位为秒。
在优先队列中，元素通常是元组形式，例如 (优先级, 数据)，队列会根据元组的第一个元素（优先级）进行排序。优先级数字越小的元素优先级越高，会先出队。优先级数字越小优先级就越高！！！

import queue

priority_queue = queue.PriorityQueue(maxsize=3)

# 向队列中添加元素（元组形式，第一个元素为优先级）
print("初始队列是否为空：", priority_queue.empty())

priority_queue.put((1, "陪赔家人"))
priority_queue.put((2, "挣money"))
priority_queue.put((3, "吃喝玩乐"))

# 尝试继续添加元素（阻塞，此处会等待直到有空间）
# priority_queue.put((4, "睡觉"), block=True, timeout=5)

print("队列元素（按优先级排序）：")
for _ in range(priority_queue.qsize()):
    print(priority_queue.queue[_])

程序运行结果：

可以看出先输出的是1，陪陪家人，其次是2 挣money，最后是吃喝玩乐。题外话（1我相信应该是最重要的，但是现实中往往大多数人看中的是2。）

（3）出队

get(block=True, timeout=None)
从队列中移除并返回优先级最高的元素。如果队列为空，且 block 参数为 True，则线程会阻塞，直到队列有元素。如果 block 为 False，则会抛出 queue.Empty 异常。timeout 参数指定线程阻塞等待的时间，单位为秒。
样例：

import queue

priority_queue = queue.PriorityQueue(maxsize=3)
priority_queue.put((1, "陪赔家人"))
priority_queue.put((2, "挣money"))
priority_queue.put((3, "吃喝玩乐"))

# 从队列中移除元素（按优先级顺序）
print("出队的元素：")
while not priority_queue.empty():
    item = priority_queue.get()
    print(item)

程序运行结果：

（4）队列状态

• empty()

如果队列为空，返回 True；否则返回 False。

• full()

如果队列已满，返回 True；否则返回 False。

样例：

import queue

priority_queue = queue.PriorityQueue(maxsize=3)

# 判断队列是否为空
print("队列是否为空：", priority_queue.empty())

# 向队列中添加元素
priority_queue.put((1, "陪赔家人"))
priority_queue.put((2, "挣money"))
priority_queue.put((3, "吃喝玩乐"))

# 判断队列是否已满
print("队列是否已满：", priority_queue.full())

# 移除一个元素后，判断队列状态
priority_queue.get()
print("移除一个元素后，队列是否为空：", priority_queue.empty())
print("移除一个元素后，队列是否已满：", priority_queue.full())

程序运行结果：

（5）队列大小

• qsize()

返回队列中元素的大致数量。
样例：

import queue

priority_queue = queue.PriorityQueue(maxsize=3)

# 获取队列初始大小
print("队列初始大小：", priority_queue.qsize())

# 向队列中添加元素并获取队列大小
priority_queue.put((1, "陪陪家人"))
print("添加一个元素后队列大小：", priority_queue.qsize())

priority_queue.put((2, "挣money"))
priority_queue.put((3, "吃喝玩乐"))
print("添加三个元素后队列大小：", priority_queue.qsize())

程序运行结果：

3. 总结

优先队列是一种重要的数据结构，可以通过 queue 模块中的 PriorityQueue 类来实现。它的主要特点是元素按照优先级进行排序，每次出队操作都能获取到优先级最高的元素，优先级数字越小代表优先级越高。优先队列适用于任务调度、Dijkstra 算法、事件驱动模拟等多种场景。
PriorityQueue 类的常用方法包括 put()（入队）、get()（出队）、empty()（判断队列是否为空）、full()（判断队列是否已满）和 qsize()（获取队列大小）。通过这些方法，可以在多线程环境下安全地操作优先队列。