时间空间复杂度

2.9 算法时间复杂度

2.9.1 算法时间复杂度定义

在进行算法分析时，语句总的执行次数T（n）是关于问题规模n的函数，进而分析T（n）随n的变化情况并确定T（n）的数量级。算法的时间复杂度，也就是算法的时间量度，记作：T（n） = O(f(n))。它表示随问题规模n的增大，算法执行时间的增长率和f（n）的增长率相同，称作算法的渐近时间复杂度，简称为时间复杂度。其中f（n）是问题规模n的某个函数。

这样用大写O( )来体现算法时间复杂度的记法，我们称之为大O记法。

一般情况下，随着n的增大，T(n)增长最慢的算法为最优算法。

显然，由此算法时间复杂度的定义可知，我们的三个求和算法的时间复杂度分别为O(n)，O(1)，O(n2)。我们分别给它们取了非官方的名称，O(1)叫常数阶、O(n)叫线性阶、O(n2)叫平方阶，当然，还有其他的一些阶，我们之后会介绍。

2.9.2 推导大O阶方法

那么如何分析一个算法的时间复杂度呢？即如何推导大O阶呢？我们给出了下面的推导方法，基本上，这也就是总结前面我们举的例子。

推导大O阶：

1.用常数1取代运行时间中的所有加法常数。

2.在修改后的运行次数函数中，只保留最高阶项。

3.如果最高阶项存在且不是1，则去除与这个项相乘的常数。得到的结果就是大O阶。

哈，仿佛是得到了游戏攻略一样，我们好像已经得到了一个推导算法时间复杂度的万能公式。可事实上，分析一个算法的时间复杂度，没有这么简单，我们还需要多看几个例子。

2.9.3 常数阶

首先顺序结构的时间复杂度。下面这个算法，也就是刚才的第二种算法（高斯算法），为什么时间复杂度不是O(3)，而是O(1)。

1. int sum = 0,n = 100;      /*执行一次*/ 
2. sum = （1+n）*n/2;      /*执行一次*/ 
3. printf（"%d", sum）;    /*行次*/ 

这个算法的运行次数函数是f（n）=3。根据我们推导大O阶的方法，第一步就是把常数项3改为1。在保留最高阶项时发现，它根本没有最高阶项，所以这个算法的时间复杂度为O(1)。

另外，我们试想一下，如果这个算法当中的语句sum=（1+n）*n/2有10句，即：

1. int sum = 0, n = 100; /*执行1次*/ 
2. sum = （1+n）*n/2; /*执行第1次*/ 
3. sum = （1+n）*n/2; /*执行第2次*/ 
4. sum = （1+n）*n/2; /*执行第3次*/ 
5. sum = （1+n）*n/2; /*执行第4次*/   
6. printf（"%d",sum）; /*执行1次*/ 

事实上无论n为多少，上面的两段代码就是3次和12次执行的差异。这种与问题的大小无关（n的多少），执行时间恒定的算法，我们称之为具有O(1)的时间复杂度，又叫常数阶。

注意：不管这个常数是多少，我们都记作O(1)，而不能是O(3)、O(12)等其他任何数字，这是初学者常常犯的错误。

对于分支结构而言，无论是真，还是假，执行的次数都是恒定的，不会随着n的变大而发生变化，所以单纯的分支结构（不包含在循环结构中），其时间复杂度也是O(1)。

2.9.4 线性阶

线性阶的循环结构会复杂很多。要确定某个算法的阶次，我们常常需要确定某个特定语句或某个语句集运行的次数。因此，我们要分析算法的复杂度，关键就是要分析循环结构的运行情况。

下面这段代码，它的循环的时间复杂度为O(n)，因为循环体中的代码须要执行n次。

1. int i; 
2. for（i = 0; i < n; i++） 
3. { 
4.      /*时间复杂度为O(1)的程序步骤序列*/
5. } 

2.9.5 对数阶

下面的这段代码，时间复杂度又是多少呢？

1. int count = 1; 
2. while （count < n） 
3. { 
4.      countcount = count * 2;  /*时间复杂度为O(1)的程序步骤序列*/ 
5. } 

由于每次count乘以2之后，就距离n更近了一分。也就是说，有多少个2相乘后大于n，则会退出循环。由2x=n得到x=log2n。所以这个循环的时间复杂度为O(logn)。

2.9.6 平方阶

下面例子是一个循环嵌套，它的内循环刚才我们已经分析过，时间复杂度为O(n)。

1. int i,j; 
2. for（i = 0; i < n; i++） 
3. { 
4.     for （j = 0; j < n; j++） 
5.     { 
6.         /*时间复杂度为O(1)的程序步骤序列*/ 
7.     } 
8. } 

而对于外层的循环，不过是内部这个时间复杂度为O(n)的语句，再循环n次。所以这段代码的时间复杂度为O(n2)。

如果外循环的循环次数改为了m，时间复杂度就变为O(m×n)。

1. int i,j; 
2. for（i = 0; i < m; i++） 
3. { 
4.     for （j = 0; j < n; j++） 
5.     { 
6.         /*时间复杂度为O(1)的程序步骤序列*/ 
7.     }
8. } 

所以我们可以总结得出，循环的时间复杂度等于循环体的复杂度乘以该循环运行的次数。

那么下面这个循环嵌套，它的时间复杂度是多少呢？

1. int i,j; 
2. for（i = 0; i < n; i++） 
3. { 
4.     for （j = i; j < n; j++）/*注意int j = i而不是0*/ 
5.     { 
6.         /*时间复杂度为O(1)的程序步骤序列*/
7.     }
8. } 

由于当i = 0时，内循环执行了n次，当i = 1时，执行了n－1次，……当i = n－1时，内循环执行了1次。所以总的执行次数为

用我们推导大O阶的方法，第一条，没有加法常数不予考虑；第二条，只保留最高阶项，因此保留n2/2；第三条，去除这个项相乘的常数，也就是去除1/2，最终这段代码的时间复杂度为O(n2)。

从这个例子，我们也可以得到一个经验，其实理解大O推导不算难，难的是对数列的一些相关运算，这更多的是考察你的数学知识和能力，所以想考研的朋友，要想在求算法时间复杂度这里不失分，可能需要强化你的数学，特别是数列方面的知识和解题能力。

我们继续看例子，对于方法调用的时间复杂度又如何分析。

1. int i,j;  for（i = 0; i < n; i++）  {  
2.     function（i）;  
3. } 

上面这段代码调用一个函数function。

1. void function（int count）  {  
2.      print（count）; 
3.  } 

函数体是打印这个参数。其实这很好理解，function函数的时间复杂度是O(1)。所以整体的时间复杂度为O(n)。

假如function是下面这样的：

1. void function（int count）  
2. { 
3.      int j; 
4.      for （j = count; j < n; j++）  
5.     {  
6.     /*时间复杂度为O(1)的程序步骤序列*/  
7.     }
8. } 

事实上，这和刚才举的例子是一样的，只不过把嵌套内循环放到了函数中，所以最终的时间复杂度为O(n2)。

下面这段相对复杂的语句：

1. n++;                                              /*执行次数为1*/ 
2. function（n）;                               /*执行次数为n*/ 
3. int i,j;  for（i = 0; i < n; i++）         /*执行次数为n2*/ 
4. { 
5. function （i）; 
6. } 
7. for（i = 0; i < n; i++）                  /*执行次数为n（n + 1）/2*/ 
8. { 
9.     for （j = i;j < n; j++） 
10.     {
11.        /*时间复杂度为O(1)的程序步骤序列*/ 
12.     }
13. } 

它的执行次数  ，根据推导大O阶的方法，最终这段代码的时间复杂度也是O(n2)。

2.10 常见的时间复杂度

常见的时间复杂度如表2‐10‐1所示。

表2-10-1

常用的时间复杂度所耗费的时间从小到大依次是：

我们前面已经谈到了O(1)常数阶、O(logn)对数阶、O(n)线性阶、O(n2)平方阶等，至于O(nlogn)我们将会在今后的课程中介绍，而像O(n3)，过大的n都会使得结果变得不现实。同样指数阶O(2n)和阶乘阶O(n!)等除非是很小的n值，否则哪怕n只是100，都是噩梦般的运行时间。所以这种不切实际的算法时间复杂度，一般我们都不去讨论它。

2.11 最坏情况与平均情况

你早晨上班出门后突然想起来，手机忘记带了，这年头，钥匙、钱包、手机三大件，出门哪样也不能少呀。于是回家找。打开门一看，手机就在门口玄关的台子上，原来是出门穿鞋时忘记拿了。这当然是比较好，基本没花什么时间寻找。可如果不是放在那里，你就得进去到处找，找完客厅找卧室、找完卧室找厨房、找完厨房找卫生间，就是找不到，时间一分一秒的过去，你突然想起来，可以用家里座机打一下手机，听着手机铃声来找呀，真是笨。终于找到了，在床上枕头下面。你再去上班，迟到。见鬼，这一年的全勤奖，就因为找手机给黄了。

找东西有运气好的时候，也有怎么也找不到的情况。但在现实中，通常我们碰到的绝大多数既不是最好的也不是最坏的，所以算下来是平均情况居多。

算法的分析也是类似，我们查找一个有n个随机数字数组中的某个数字，最好的情况是第一个数字就是，那么算法的时间复杂度为O(1)，但也有可能这个数字就在最后一个位置上待着，那么算法的时间复杂度就是O(n)，这是最坏的一种情况了。

最坏情况运行时间是一种保证，那就是运行时间将不会再坏了。在应用中，这是一种最重要的需求，通常，除非特别指定，我们提到的运行时间都是最坏情况的运行时间。

而平均运行时间也就是从概率的角度看，这个数字在每一个位置的可能性是相同的，所以平均的查找时间为n/2次后发现这个目标元素。

平均运行时间是所有情况中最有意义的，因为它是期望的运行时间。也就是说，我们运行一段程序代码时，是希望看到平均运行时间的。可现实中，平均运行时间很难通过分析得到，一般都是通过运行一定数量的实验数据后估算出来的。

对算法的分析，一种方法是计算所有情况的平均值，这种时间复杂度的计算方法称为平均时间复杂度。另一种方法是计算最坏情况下的时间复杂度，这种方法称为最坏时间复杂度。一般在没有特殊说明的情况下，都是指最坏时间复杂度。

2.12 算法空间复杂度

我们在写代码时，完全可以用空间来换取时间，比如说，要判断某某年是不是闰年，你可能会花一点心思写了一个算法，而且由于是一个算法，也就意味着，每次给一个年份，都是要通过计算得到是否是闰年的结果。还有另一个办法就是，事先建立一个有2 050个元素的数组（年数略比现实多一点），然后把所有的年份按下标的数字对应，如果是闰年，此数组项的值就是1，如果不是值为0。这样，所谓的判断某一年是否是闰年，就变成了查找这个数组的某一项的值是多少的问题。此时，我们的运算是最小化了，但是硬盘上或者内存中需要存储这2050个0和1。

这是通过一笔空间上的开销来换取计算时间的小技巧。到底哪一个好，其实要看你用在什么地方。

算法的空间复杂度通过计算算法所需的存储空间实现，算法空间复杂度的计算公式记作：S(n)= O(f(n))，其中，n为问题的规模，f(n)为语句关于n所占存储空间的函数。

一般情况下，一个程序在机器上执行时，除了需要存储程序本身的指令、常数、变量和输入数据外，还需要存储对数据操作的存储单元。若输入数据所占空间只取决于问题本身，和算法无关，这样只需要分析该算法在实现时所需的辅助单元即可。若算法执行时所需的辅助空间相对于输入数据量而言是个常数，则称此算法为原地工作，空间复杂度为O(1)。

通常，我们都使用“时间复杂度”来指运行时间的需求，使用“空间复杂度”指空间需求。当不用限定词地使用“复杂度”时，通常都是指时间复杂度。显然我们这本书重点要讲的还是算法的时间复杂度的问题。

2.13 总结回顾

不容易，终于又到了总结的时间。

我们这一章主要谈了算法的一些基本概念。谈到了数据结构与算法的关系是相互依赖不可分割的。

算法的定义：算法是解决特定问题求解步骤的描述，在计算机中为指令的有限序列，并且每条指令表示一个或多个操作。

算法的特性：有穷性、确定性、可行性、输入、输出。

算法设计的要求：正确性、可读性、健壮性、高效率和低存储量需求。

算法特性与算法设计容易混，需要对比记忆。

算法的度量方法：事后统计方法（不科学、不准确）、事前分析估算方法。

在讲解如何用事前分析估算方法之前，我们先给出了函数渐近增长的定义。

函数的渐近增长：给定两个函数f（n）和g（n），如果存在一个整数N，使得对于所有的n > N，f（n）总是比g（n）大，那么，我们说f（n）的增长渐近快于g（n）。于是我们可以得出一个结论，判断一个算法好不好，我们只通过少量的数据是不能做出准确判断的，如果我们可以对比算法的关键执行次数函数的渐近增长性，基本就可以分析出：某个算法，随着n的变大，它会越来越优于另一算法，或者越来越差于另一算法。

然后给出了算法时间复杂度的定义和推导大O阶的步骤。

推导大O阶：

用常数1取代运行时间中的所有加法常数。

在修改后的运行次数函数中，只保留最高阶项。

如果最高阶项在且不是1，则去除与这个项相乘的常数。

存得到的结果就是大O阶。

通过这个步骤，我们可以在得到算法的运行次数表达式后，很快得到它的时间复杂度，即大O阶。同时我也提醒了大家，其实推导大O阶很容易，但如何得到运行次数的表达式却是需要数学功底的。

接着我们给出了常见的时间复杂度所耗时间的大小排列：

最后，我们给出了关于算法最坏情况和平均情况的概念，以及空间复杂度的概念。

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