时间复杂度和空间复杂度

算法是指用来操作数据、解决程序问题的一组方法。
一个算法的好坏是由它运行所需要的时间和消耗的空间评定的。
也就是时间维度和空间维度,量化出来就是执行当前算法所消耗的时间(时间复杂`)和执行当前算法所占用的内存空间(空间复杂度)。


时间复杂度

示例代码:

int count(int n){
    int sum = 0;
    for(int i = 0; i < n; i++){
        sum += 1;
    }
    return sum;
}

假设每一行代码的执行时间都是time,那么

  1. 第二行执行的时间就是time
  2. 第三行执行的时间就是n*time
  3. 第四行执行的时间就是n*time
  4. 第五行执行的时间就是time

合计执行的总之间是2time+ 2n*time。因此这段代码执行的总时间和每行代码执行的次数成正比!
将算法执行的时间复杂度记为T(n),使用O表示正比例关系,因此就有:
T(n) = O(2n+2), 通用公式为T(n) = O(f(n))
这个公式只是监禁时间复杂度公式,只表明代码的执行时间随数据规模增长的变化趋势,简称时间复杂度
当n趋近于无穷大时,常量2和首相系数2以及低阶项可以省略掉,比如一个无穷大+100000000,结果还是无穷大。
因此本算法的时间复杂度为T(n)=O(n)
通过其他实例可发现,同理可得,常见的时间复杂度常量级有:

  1. 常数阶--O(1)
  2. 对数阶--O(㏒₂ⁿ)
  3. 线性阶--O(n)
  4. 现行对数阶---O(n㏒₂ⁿ)
  5. 平方阶---O(n²)
  6. 立方阶---O(n³)
  7. K次方阶---O(n^k)
  8. 指数阶---O(2ⁿ)
    从上至下,时间复杂度越来越大,执行效率越来越低

1. 常数阶

示例:

int printNum(int i){
    int j = 1;
    j ++;
    return i+j;
}

无论代码执行了多少行,只要没有循环等复杂结构,那么这个代码时间复杂度都是O(1),假设每行代码执行的时间都是time,代码的行数是有限的即常量级别(实际开发函数中代码不会超过80行,参见阿里巴巴Java开发手册-2020最新嵩山版.pdf,提取码:yxbz),设为常数k,那么执行所花费的时间为k * timek为常数,因此时间复杂度为常数阶,表示为O(1)

2. 线性阶

实例:

int count(int n){
    int sum = 0;
    for(int i = 0; i < n; i++){
        sum += 1;
    }
    return sum;
}

见本文开头

3. 对数阶

实例:

int i = 1;
while(i < n){
  i  = i * 2;
}

本实例中i的值乘以2以后越来越渐进n,终将i >= n的时候退出循环,假设在循环了k次之后i = n,也就是说2 ^ k == nn = 2 ^ k,即k = ㏒₂ⁿ,即本算法的时间复杂度是O(㏒₂ⁿ)
部分资料对数阶的复杂度写为O(㏒ⁿ),是有问题的,对数函数只有在地数是e的时候用㏑ⁿ表示

4.线性对数阶

实例:

for(int i = 0; i < n; i++){
    i = 1;
    while(i < n){
        i = i * 2;
    }
}

同上

5.平方阶

实例:

int sum = 0;
for(int x = 0; x < n; x++){
  for(int j = 0; j < n; j++){
    sum = sum +x + j;
  }
}

此时的时间复杂度是O(n²)

均摊时间复杂度

ArrayList底层维护了一个数组,因此他的插入时间复杂度是O(1)
假设现在自己实现了一个ArrayList数组,每次空间用尽之后,新建一个新的数组,带下是原来的两倍,使用for将旧数组的数据拷贝到新数组,那么此操作的时间复杂度就是O(n),每次的拷贝操作都是在进行了n次时间复杂度为O(1)的插入操作之后进行的。那么把O(n)的时间复杂度操作均分到n次O(1)的操作上面,均摊下来几乎所有的插入时间复杂度都是O(1)


空间复杂度

空间复杂度的全称是渐进空间复杂度,表示算法消耗的存储空间和数据规模的增长关系。
通常使用S(n)来表示。
空间复杂度比较常用的有O(1)、O(n)、O(n²)

空间复杂度O(1)

实例:

int i = 1;
int j = 2;
j++;
i++;
int m = i * j;

算法中的变量所分配的空间都不随着处理数据量变化,因此他的空间复杂度S(n) = O(1)

空间复杂度O(n)

实例:

int[] m = new int[n]
for(i=1; i<=n; ++i)
{
   j = i;
   j++;
}

这段代码中,第一行new了一个数组出来,这个数据占用的大小为n,这段代码的2-6行,虽然有循环,但没有再分配新的空间,因此,这段代码的空间复杂度主要看第一行即可,即 S(n) = O(n)

文章参考:

  1. 算法的时间与空间复杂度(一看就懂)
  2. 一次搞懂时间复杂度和空间复杂度
    感谢两位大牛!
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