一、算法效率
算法效率分析分为两种:第一种是时间效率,第二种是空间效率。时间效率被称为时间复杂度,而空间效率被称作空间复杂度。 时间复杂度主要衡量的是一个算法的运行速度,而空间复杂度主要衡量一个算法所需要的额外空间,在计算机发展的早期,计算机的存储容量很小。所以对空间复杂度很是在乎。但是经过计算机行业的迅速发展,计算机的存储容量已经达到了很高的程度。所以我们如今已经不需要再特别关注一个算法的空间复杂度。
摩尔定律:(摩尔是因特尔公司的创始人)每十八个月, 内存空间就会翻倍。
二、时间复杂度的概念
时间复杂度的定义:在计算机科学中,算法的时间复杂度是一个函数,它定量描述了该算法的运行时间。一 个算法执行所耗费的时间,从理论上说,是不能算出来的,只有你把你的程序放在机器上跑起来(环境不同,具体运行时间就不同),才能知道。但是我们需要每个算法都上机测试吗?是可以都上机测试,但是这很麻烦,所以才有了时间复杂度这个 分析方式。一个算法所花费的时间与其中语句的执行次数成正比例,算法中的基本操作的执行次数,为算法 的时间复杂度。
例1、请计算一下Func1基本操作执行了多少次?
void Func1(int N)
{
int count = 0;
for (int i = 0; i < N ; ++ i)
{
for (int j = 0; j < N ; ++ j)
{
++count;
}
}
for (int k = 0; k < 2 * N ; ++ k)
{
++count;
}
int M = 10;
while (M--)
{
++count;
}
printf("%d\n", count);
}
解:时间复杂度为 N*N+2*N+10 ;可以用函数来表示:F(N) = N*N+2*N+10;
实际中我们计算时间复杂度时,我们其实并不一定要计算精确的执行次数,而只需要大概执行次数,那么这里我们使用大O的渐进表示法(估算)。由函数推导大O表示法的方法:a、用常数1取代运行时间中的所有加法常数。b、在修改后的运行次数函数中,只保留最高阶项。c、如果最高阶项存在且不是1,则去除与这个项目相乘的常数。得到的结果就是大O阶。使用大O的渐进表示法以后,Func1的时间复杂度为O(N^2)。
例2、计算Func2的时间复杂度
void Func2(int N)
{
int count = 0;
for (int k = 0; k < 2 * N ; ++ k)
{
++count;
}
int M = 10;
while (M--)
{
++count;
}
printf("%d\n", count);
}
解: F(N)=2*N+10; 时间复杂度是O(N)
例3、计算Func3的时间复杂度
void Func3(int N, int M)
{
int count = 0;
for (int k = 0; k < M; ++ k)
{
++count;
}
for (int k = 0; k < N ; ++ k)
{
++count;
}
printf("%d\n", count);
}
解: 时间复杂度是O(M+N); 此时有多种情况
a、不知道M和N的大小关系: O(M+N)
b、M远大于N: O(M)
c、N远大于M: O(M)
d、M和N差不多大时: O(M) 或 O(N) 都可以
例4、计算Func4的时间复杂度
void Func4(int N)
{
int count = 0;
for (int k = 0; k < 100; ++ k)
{
++count;
}
printf("%d\n", count);
}
解:当知道的循环次数是常数次时,时间复杂度是 O(1)
例5、计算 strchr 的时间复杂度
const char * strchr ( const char * str , int character );
解: 此库函数用于查找一个字符,此时要看最坏的情况,即查找的字符在字符串中没有,这时会循环N次。所以该函数的时间复杂度是O(N)。
例6、BubbleSort的时间复杂度
void BubbleSort(int* a, int n)
{
assert(a);
for (size_t end = n; end > 0; --end)
{
int exchange = 0;
for (size_t i = 1; i < end; ++i)
{
if (a[i-1] > a[i])
{
Swap(&a[i-1], &a[i]);
exchange = 1;
}
}
if (exchange == 0)
break;
}
}
解:此时计算的是两个数比较的次数,也就是第二个for循环中的if语句的执行次数,使用公式表达式 F(N)=N*(N-1)/2;所以时间复杂度是 O(N^2)
例7、BinarySearch的时间复杂度
int BinarySearch(int* a, int n, int x)
{
assert(a);
int begin = 0;
int end = n;
while (begin < end)
{
int mid = begin + ((end-begin)>>1);
if (a[mid] < x)
begin = mid+1;
else if (a[mid] > x)
end = mid;
else
return mid;
}
return -1;
}
解: 1. 要看最坏的情况(就是找不到这个数据),每找一次,数据的长度就会减少一半。
由此可以推出,2^X=N,即 X=log 2 N 所以时间复杂度是 O(log2N)
例8、计算阶乘递归的时间复杂度
long long Fac(size_t N)
{
if(0==N)
return 1;
return Fac(N-1)*N;
}
解:O(N);递归次数*每次递归的次数;
例9、计算斐波那契递归的时间复杂度
long long Fib(size_t N)
{
if(N<3)
return 1;
return Fib(N-1)+Fib(N-2);
}
解:通过画图可以得知
![]()
首先通过上述代码可得函数: Fib(N)=2^0+2^1+2^2+2^(N-1)-X;
计算后可得,Fib(N)=2^N-1-X;
所以时间复杂度是:O(2^N)。
斐波那契数列尽量不要使用递归的方式计算,会导致计算时间太长。
三、空间复杂度
空间复杂度是对一个算法在运行过程中 临时占用存储空间大小的量度 。空间复杂度不是程序占用了多少bytes的空间,因为这个也没太大意义,所以空间复杂度算的是变量的个数。空间复杂度计算规则基本跟实践复杂度类似,也使用大 O 渐进表示法 。注:函数运行时所需要的栈空间(存储参数、局部变量、一些寄存器信息等)在编译期间已经确定好了,因此空间复杂度主要通过函数在运行时显示申请的额外空间来确定。
void BubbleSort(int* a, int n)
{
assert(a);
for (size_t end = n; end > 0; --end)
{
int exchange = 0;
for (size_t i = 1; i < end; ++i)
{
if (a[i-1] > a[i])
{
Swap(&a[i-1], &a[i]);
exchange = 1;
}
}
if (exchange == 0)
break;
}
}
解:计算得是额外需要的空间,所以需要计算得是除了变量a和n之外的变量。此时的额外变量有end、exchange、i;所以空间复杂度是O(1)
例2、计算Fibnoacci的空间复杂度
long long* Fibonacci(size_t n)
{
if(n==0)
return NULL;
long long * fibArray = (long long *)malloc((n+1) * sizeof(long long));
fibArray[0] = 0;
fibArray[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n ; ++i)
{
fibArray[i ] = fibArray[ i - 1] + fibArray [i - 2];
}
return fibArray;
}
解: 此时计算得是斐波那契数列的数组,开辟了一个n+1容量的数组,空间复杂度是O(N)。
例3、计算阶乘递归Fac的空间复杂度
long long Fac(size_t)
{
if(N==1)
{
return 1;
}
return Fac(N-1)*N;
}
解:递归了N次,所以会建立N个栈帧,所以空间复杂度是O(N)。需要看递归的深度。
例4、计算斐波那契递归的空间复杂度
long long Fib(size_t N)
{
if(N<3)
return 1;
return Fib(N-1)+Fib(N-2);
}
解:
如上图,函数递归时会先沿着紫色箭头开辟函数的栈帧空间进行一次计算,当计算完毕后,后边的计算是会重复使用前边的空间,所以只计算使用最多的空间即可。所以空间复杂度是O(N)。
练习题:
习题1、消失的数字
方法一、首先给数组排序,然后看后一个数是不是前一个数+1;但是使用qsort快排的时间复杂度是O(n*log2n),不符合题意;
方法二、(0+1+2+……+n)-(a[0]+a[1]+……+a[n-1])看差是多少;时间复杂度是O(N);
方法三、创建一个数组,数组中的值是几就在那个位置写一个值。空间复杂度是O(N);
方法四、各一个值x=0,先跟0 ~ n的所有制异或,在跟数组中的每个值异或。 两个相同的数异或为0;
int missingNumber(int* nums,int numsSize)
{
int x = 0;
for (int i = 0; i <= numsSize; ++i)
{
x ^= i;
}
for (int i = 0; i < numsSize; ++i)
{
x ^= nums[i];
}
return x;
}
习题2、旋转数组
方法一、暴力求解,旋转k次,时间复杂度:O(N*k),空间复杂度是O(1);
方法二、开辟额外空间,将后k个拷贝到新开辟的空间,再将前边的n-k个拷到后边,再将新开辟的空间中的数据拷回去。
方法三、
void Reverse(int* nums, int left, int right)
{
while (left < right)
{
int tmp = nums[left];
nums[left] = nums[right];
nums[right] = tmp;
++left;
--right;
}
}
void rotate(int* nums, int numsSize, int k)
{
if (k >= numsSize)
{
k %= numsSize;
}
Reverse(nums, 0, nums - k - 1);
Reverse(nums, numsSize - k, numsSize - 1);
Reverse(nums, 0, numsSize - 1);
}