pull/944/head
krahets 1 year ago
parent 44a8568356
commit 68e11cfa34

@ -15,7 +15,7 @@ comments: true
## 16.1.3   C/C++ 环境
1. Windows 系统需要安装 [MinGW](https://sourceforge.net/projects/mingw-w64/files/)[配置教程](https://blog.csdn.net/qq_33698226/article/details/129031241)MacOS 自带 Clang 无安装。
1. Windows 系统需要安装 [MinGW](https://sourceforge.net/projects/mingw-w64/files/)[配置教程](https://blog.csdn.net/qq_33698226/article/details/129031241)MacOS 自带 Clang 无安装。
2. 在 VSCode 的插件市场中搜索 `c++` ,安装 C/C++ Extension Pack 。
3. (可选)打开 Settings 页面,搜索 `Clang_format_fallback Style` 代码格式化选项,设置为 `{ BasedOnStyle: Microsoft, BreakBeforeBraces: Attach }`

@ -472,7 +472,7 @@ elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex
同理,如果我们想要删除索引 $i$ 处的元素,则需要把索引 $i$ 之后的元素都向前移动一位。
请注意,删除元素完成后,原先末尾的元素变得“无意义”了,所以我们无特意去修改它。
请注意,删除元素完成后,原先末尾的元素变得“无意义”了,所以我们无特意去修改它。
![数组删除元素](array.assets/array_remove_element.png)
@ -1208,7 +1208,7 @@ elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex
数组存储在连续的内存空间内,且元素类型相同。这包含丰富的先验信息,系统可以利用这些信息来优化操作和运行效率,包括:
- **空间效率高**: 数组为数据分配了连续的内存块,无额外的结构开销。
- **空间效率高**: 数组为数据分配了连续的内存块,无额外的结构开销。
- **支持随机访问**: 数组允许在 $O(1)$ 时间内访问任何元素。
- **缓存局部性**: 当访问数组元素时,计算机不仅会加载它,还会缓存其周围的其他数据,从而借助高速缓存来提升后续操作的执行速度。

@ -6,7 +6,7 @@ comments: true
内存空间是所有程序的公共资源,在一个复杂的系统运行环境下,空闲的内存空间可能散落在内存各处。我们知道,存储数组的内存空间必须是连续的,而当数组非常大时,内存可能无法提供如此大的连续空间。此时链表的灵活性优势就体现出来了。
「链表 Linked List」是一种线性数据结构其中的每个元素都是一个节点对象各个节点通过“引用”相连接。引用记录了下一个节点的内存地址我们可以通过它从当前节点访问到下一个节点。这意味着链表的各个节点可以被分散存储在内存各处它们的内存地址是无连续的。
「链表 Linked List」是一种线性数据结构其中的每个元素都是一个节点对象各个节点通过“引用”相连接。引用记录了下一个节点的内存地址我们可以通过它从当前节点访问到下一个节点。这意味着链表的各个节点可以被分散存储在内存各处它们的内存地址是无连续的。
![链表定义与存储方式](linked_list.assets/linkedlist_definition.png)

@ -6,7 +6,7 @@ comments: true
**数组长度不可变导致实用性降低**。在实际中,我们可能事先无法确定需要存储多少数据,这使数组长度的选择变得困难。若长度过小,需要在持续添加数据时频繁扩容数组;若长度过大,则会造成内存空间的浪费。
为解决此问题,出现了一种被称为「动态数组 Dynamic Array」的数据结构即长度可变的数组也常被称为「列表 List」。列表基于数组实现继承了数组的优点并且可以在程序运行过程中动态扩容。我们可以在列表中自由地添加元素而无担心超过容量限制。
为解决此问题,出现了一种被称为「动态数组 Dynamic Array」的数据结构即长度可变的数组也常被称为「列表 List」。列表基于数组实现继承了数组的优点并且可以在程序运行过程中动态扩容。我们可以在列表中自由地添加元素而无担心超过容量限制。
## 4.3.1   列表常用操作

@ -59,7 +59,7 @@ comments: true
假如把列表元素换成链表节点 `n = [n1, n2, n3, n4, n5]` ,通常情况下这五个节点对象也是被分散存储在内存各处的。然而,给定一个列表索引,我们仍然可以在 $O(1)$ 时间内获取到节点内存地址,从而访问到对应的节点。这是因为数组中存储的是节点的引用,而非节点本身。
与许多语言不同的是,在 Python 中数字也被包装为对象,列表中存储的不是数字本身,而是对数字的引用。因此,我们会发现两个数组中的相同数字拥有同一个 id ,并且这些数字的内存地址是无连续的。
与许多语言不同的是,在 Python 中数字也被包装为对象,列表中存储的不是数字本身,而是对数字的引用。因此,我们会发现两个数组中的相同数字拥有同一个 id ,并且这些数字的内存地址是无连续的。
!!! question "C++ STL 里面的 std::list 已经实现了双向链表,但好像一些算法的书上都不怎么直接用这个,是不是有什么局限性呢?"

@ -19,7 +19,7 @@ comments: true
类似于全排列问题,我们可以把子集的生成过程想象成一系列选择的结果,并在选择过程中实时更新“元素和”,当元素和等于 `target` 时,就将子集记录至结果列表。
而与全排列问题不同的是,**本题集合中的元素可以被无限次选取**,因此无借助 `selected` 布尔列表来记录元素是否已被选择。我们可以对全排列代码进行小幅修改,初步得到解题代码。
而与全排列问题不同的是,**本题集合中的元素可以被无限次选取**,因此无借助 `selected` 布尔列表来记录元素是否已被选择。我们可以对全排列代码进行小幅修改,初步得到解题代码。
=== "Java"

@ -13,9 +13,9 @@ icon: material/timer-sand
!!! abstract
复杂度犹如浩瀚的算法宇宙中的指南针
复杂度犹如浩瀚的算法宇宙中的时空向导
引导我们在时间与空间的维度上深入探索,寻找更优雅的解决方案。
带领我们在时间与空间这两个维度上深入探索,寻找更优雅的解决方案。
## 本章内容

@ -4,12 +4,12 @@ comments: true
# 2.1   算法效率评估
在算法设计中,我们先后追求以下两个层面的目标
在算法设计中,我们先后追求以下两个层面的目标
1. **找到问题解法**:算法需要在规定的输入范围内,可靠地求得问题的正确解。
2. **寻求最优解法**:同一个问题可能存在多种解法,我们希望找到尽可能高效的算法。
因此在能够解决问题的前提下,算法效率成为主要的评价维度,包括:
因此,在能够解决问题的前提下,算法效率已成为衡量算法优劣的主要评价指标,它包括以下两个维度。
- **时间效率**:算法运行速度的快慢。
- **空间效率**:算法占用内存空间的大小。
@ -22,28 +22,28 @@ comments: true
假设我们现在有算法 `A` 和算法 `B` ,它们都能解决同一问题,现在需要对比这两个算法的效率。最直接的方法是找一台计算机,运行这两个算法,并监控记录它们的运行时间和内存占用情况。这种评估方式能够反映真实情况,但也存在较大局限性。
**难以排除测试环境的干扰因素**。硬件配置会影响算法的性能表现。比如在某台计算机中,算法 `A` 的运行时间比算法 `B` 短;但在另一台配置不同的计算机中,我们可能得到相反的测试结果。这意味着我们需要在各种机器上进行测试,统计平均效率,而这是不现实的。
一方面,**难以排除测试环境的干扰因素**。硬件配置会影响算法的性能表现。比如在某台计算机中,算法 `A` 的运行时间比算法 `B` 短;但在另一台配置不同的计算机中,我们可能得到相反的测试结果。这意味着我们需要在各种机器上进行测试,统计平均效率,而这是不现实的。
**展开完整测试非常耗费资源**。随着输入数据量的变化,算法会表现出不同的效率。例如,在输入数据量较小时,算法 `A` 的运行时间比算法 `B` 更少;而输入数据量较大时,测试结果可能恰恰相反。因此,为了得到有说服力的结论,我们需要测试各种规模的输入数据,而这样需要耗费大量的计算资源。
另一方面,**展开完整测试非常耗费资源**。随着输入数据量的变化,算法会表现出不同的效率。例如,在输入数据量较小时,算法 `A` 的运行时间比算法 `B` 更少;而输入数据量较大时,测试结果可能恰恰相反。因此,为了得到有说服力的结论,我们需要测试各种规模的输入数据,而这样需要耗费大量的计算资源。
## 2.1.2   理论估算
由于实际测试具有较大的局限性,我们可以考虑仅通过一些计算来评估算法的效率。这种估算方法被称为「渐近复杂度分析 Asymptotic Complexity Analysis」简称为「复杂度分析」。
由于实际测试具有较大的局限性,我们可以考虑仅通过一些计算来评估算法的效率。这种估算方法被称为「渐近复杂度分析 asymptotic complexity analysis」简称「复杂度分析」。
复杂度分析评估的是算法执行所需的时间和空间资源。**它被表示为一个函数,描述了随着输入数据大小的增加,算法所需时间(空间)的增长趋势**。这个定义有些拗口,我们可以将其分为三个重点来理解
复杂度分析评估的是算法运行所需的时间和空间资源,**它描述了随着输入数据大小的增加,算法所需时间(空间)的增长趋势**。这个定义有些拗口,我们可以将其分为三个重点来理解
1. “时间(空间)”分别对应「时间复杂度 Time Complexity」和「空间复杂度 Space Complexity」。
1. “时间和空间资源”分别对应「时间复杂度 time complexity」和「空间复杂度 space complexity」。
2. “随着输入数据大小的增加”意味着复杂度反映了算法运行效率与输入数据体量之间的关系。
3. “增长趋势”表示复杂度分析关注的是算法时间与空间的增长趋势,而非具体的运行时间或占用空间。
**复杂度分析克服了实际测试方法的弊端**。首先,它独立于测试环境,分析结果适用于所有运行平台。其次,它可以体现不同数据量下的算法效率,尤其是在大数据量下的算法性能。
如果你对复杂度分析的概念仍感到困惑,无需担心,我们会在后续章节详细介绍。
如果你对复杂度分析的概念仍感到困惑,无须担心,我们会在后续章节中详细介绍。
## 2.1.3   复杂度的重要性
复杂度分析为我们提供了一把评估算法效率的“标尺”,帮助我们衡量了执行某个算法所需的时间和空间资源,并使我们能够对比不同算法之间的效率。
复杂度是个数学概念,对于初学者可能比较抽象,学习难度相对较高。从这个角度看,复杂度分析可能不太适合作为第章的内容。
复杂度是个数学概念,对于初学者可能比较抽象,学习难度相对较高。从这个角度看,复杂度分析可能不太适合作为第 1 章的内容。
然而,当我们讨论某个数据结构或算法的特点时,难以避免要分析其运行速度和空间使用情况。因此,在深入学习数据结构与算法之前,**建议你先对复杂度建立初步的了解,能够完成简单算法的复杂度分析**。
然而,当我们讨论某个数据结构或算法的特点时,难以避免要分析其运行速度和空间使用情况。因此,在深入学习数据结构与算法之前,**建议你先对复杂度建立初步的了解,以便能够完成简单算法的复杂度分析**。

@ -4,25 +4,25 @@ comments: true
# 2.3   空间复杂度
「空间复杂度 Space Complexity」用于衡量算法占用内存空间随着数据量变大时的增长趋势。这个概念与时间复杂度非常类似只需将“运行时间”替换为“占用内存空间”。
「空间复杂度 space complexity」用于衡量算法占用内存空间随着数据量变大时的增长趋势。这个概念与时间复杂度非常类似只需将“运行时间”替换为“占用内存空间”。
## 2.3.1   算法相关空间
算法运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种
算法运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种
- **输入空间**:用于存储算法的输入数据。
- **暂存空间**:用于存储算法运行过程中的变量、对象、函数上下文等数据。
- **暂存空间**:用于存储算法运行过程中的变量、对象、函数上下文等数据。
- **输出空间**:用于存储算法的输出数据。
一般情况下,空间复杂度的统计范围是“暂存空间”加上“输出空间”。
暂存空间可以进一步划分为三个部分
暂存空间可以进一步划分为三个部分
- **暂存数据**:用于保存算法运行过程中的各种常量、变量、对象等。
- **栈帧空间**:用于保存调用函数的上下文数据。系统在每次调用函数时都会在栈顶部创建一个栈帧,函数返回后,栈帧空间会被释放。
- **指令空间**:用于保存编译后的程序指令,在实际统计中通常忽略不计。
因此在分析一段程序的空间复杂度时,**我们通常统计暂存数据、输出数据、栈帧空间三部分**。
在分析一段程序的空间复杂度时,**我们通常统计暂存数据、栈帧空间和输出数据三部分**。
![算法使用的相关空间](space_complexity.assets/space_types.png)
@ -294,7 +294,7 @@ comments: true
## 2.3.2   推算方法
空间复杂度的推算方法与时间复杂度大致相同,只需将统计对象从“计算操作数量”转为“使用空间大小”。
空间复杂度的推算方法与时间复杂度大致相同,只需将统计对象从“操作数量”转为“使用空间大小”。
而与时间复杂度不同的是,**我们通常只关注「最差空间复杂度」**。这是因为内存空间是一项硬性要求,我们必须确保在所有输入数据下都有足够的内存空间预留。
@ -432,7 +432,7 @@ comments: true
```
**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如以下代码:
**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如以下代码
- 函数 `loop()` 在循环中调用了 $n$ 次 `function()` ,每轮中的 `function()` 都返回并释放了栈帧空间,因此空间复杂度仍为 $O(1)$ 。
- 递归函数 `recur()` 在运行过程中会同时存在 $n$ 个未返回的 `recur()` ,从而占用 $O(n)$ 的栈帧空间。
@ -658,7 +658,7 @@ comments: true
## 2.3.3   常见类型
设输入数据大小为 $n$ 常见的空间复杂度类型有(从低到高排列):
设输入数据大小为 $n$ 下图展示了常见的空间复杂度类型(从低到高排列)。
$$
\begin{aligned}
@ -667,19 +667,19 @@ O(1) < O(\log n) < O(n) < O(n^2) < O(2^n) \newline
\end{aligned}
$$
![空间复杂度的常见类型](space_complexity.assets/space_complexity_common_types.png)
![常见的空间复杂度类型](space_complexity.assets/space_complexity_common_types.png)
<p align="center"> 图:空间复杂度的常见类型 </p>
<p align="center"> 图:常见的空间复杂度类型 </p>
!!! tip
部分示例代码需要一些前置知识,包括数组、链表、二叉树、递归算法等。如果你遇到看不懂的地方,可以在学完后面章节后再来复习。
部分示例代码需要一些前置知识,包括数组、链表、二叉树、递归算法等。如果你遇到看不懂的地方,可以在学完后面章节后再来复习。
### 1. &nbsp; 常数阶 $O(1)$
常数阶常见于数量与输入数据大小 $n$ 无关的常量、变量、对象。
需要注意的是,在循环中初始化变量或调用函数而占用的内存,在进入下一循环后就会被释放,即不会累积占用空间,空间复杂度仍为 $O(1)$
需要注意的是,在循环中初始化变量或调用函数而占用的内存,在进入下一循环后就会被释放,即不会累积占用空间,空间复杂度仍为 $O(1)$
=== "Java"
@ -1010,7 +1010,7 @@ $$
### 2. &nbsp; 线性阶 $O(n)$
线性阶常见于元素数量与 $n$ 成正比的数组、链表、栈、队列等
线性阶常见于元素数量与 $n$ 成正比的数组、链表、栈、队列等
=== "Java"
@ -1274,7 +1274,7 @@ $$
}
```
以下递归函数会同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()` 函数,使用 $O(n)$ 大小的栈帧空间
以下递归函数会同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()` 函数,使用 $O(n)$ 大小的栈帧空间
=== "Java"
@ -1421,7 +1421,7 @@ $$
### 3. &nbsp; 平方阶 $O(n^2)$
平方阶常见于矩阵和图,元素数量与 $n$ 成平方关系
平方阶常见于矩阵和图,元素数量与 $n$ 成平方关系
=== "Java"
@ -1800,7 +1800,7 @@ $$
### 4. &nbsp; 指数阶 $O(2^n)$
指数阶常见于二叉树。高度为 $n$ 的「满二叉树」的节点数量为 $2^n - 1$ ,占用 $O(2^n)$ 空间
指数阶常见于二叉树。高度为 $n$ 的「满二叉树」的节点数量为 $2^n - 1$ ,占用 $O(2^n)$ 空间
=== "Java"
@ -1974,9 +1974,9 @@ $$
对数阶常见于分治算法和数据类型转换等。
例如归并排序算法,输入长度为 $n$ 的数组,每轮递归将数组从中点划分为两半,形成高度为 $\log n$ 的递归树,使用 $O(\log n)$ 栈帧空间。
例如归并排序算法,输入长度为 $n$ 的数组,每轮递归将数组从中点划分为两半,形成高度为 $\log n$ 的递归树,使用 $O(\log n)$ 栈帧空间。
再例如“数字转化为字符串”,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n) = O(\log n)$ 。
再例如将数字转化为字符串,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n + 1$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n + 1$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n + 1) = O(\log n)$ 。
## 2.3.4 &nbsp; 权衡时间与空间
@ -1984,4 +1984,4 @@ $$
**降低时间复杂度通常需要以提升空间复杂度为代价,反之亦然**。我们将牺牲内存空间来提升算法运行速度的思路称为“以空间换时间”;反之,则称为“以时间换空间”。
选择哪种思路取决于我们更看重哪个方面。在大多数情况下,时间比空间更宝贵,因此以空间换时间通常是更常用的策略。当然,在数据量很大的情况下,控制空间复杂度也是非常重要的。
选择哪种思路取决于我们更看重哪个方面。在大多数情况下,时间比空间更宝贵,因此以空间换时间通常是更常用的策略。当然,在数据量很大的情况下,控制空间复杂度也是非常重要的。

@ -6,45 +6,45 @@ comments: true
**算法效率评估**
- 时间效率和空间效率是评价算法性能的两个关键维度
- 时间效率和空间效率是衡量算法优劣的两个主要评价指标
- 我们可以通过实际测试来评估算法效率,但难以消除测试环境的影响,且会耗费大量计算资源。
- 复杂度分析可以克服实际测试的弊端,分析结果适用于所有运行平台,并且能够揭示算法在不同数据规模下的效率。
**时间复杂度**
- 时间复杂度用于衡量算法运行时间随数据量增长的趋势,可以有效评估算法效率,但在某些情况下可能失效,如在输入数据量较小或时间复杂度相同时,无法精确对比算法效率的优劣。
- 最差时间复杂度使用大 $O$ 符号表示,函数渐近上界,反映当 $n$ 趋向正无穷时,$T(n)$ 的增长级别。
- 推算时间复杂度分为两步,首先统计计算操作数量,然后判断渐近上界。
- 常见时间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ , $O(\log n)$ , $O(n)$ , $O(n \log n)$ , $O(n^2)$ , $O(2^n)$ , $O(n!)$ 等。
- 时间复杂度用于衡量算法运行时间随数据量增长的趋势,可以有效评估算法效率,但在某些情况下可能失效,如在输入数据量较小或时间复杂度相同时,无法精确对比算法效率的优劣。
- 最差时间复杂度使用大 $O$ 符号表示,对应函数渐近上界,反映当 $n$ 趋向正无穷时,操作数量 $T(n)$ 的增长级别。
- 推算时间复杂度分为两步,首先统计操作数量,然后判断渐近上界。
- 常见时间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ 、$O(\log n)$ 、$O(n)$ 、$O(n \log n)$ 、$O(n^2)$ 、$O(2^n)$ 、$O(n!)$ 等。
- 某些算法的时间复杂度非固定,而是与输入数据的分布有关。时间复杂度分为最差、最佳、平均时间复杂度,最佳时间复杂度几乎不用,因为输入数据一般需要满足严格条件才能达到最佳情况。
- 平均时间复杂度反映算法在随机数据输入下的运行效率,最接近实际应用中的算法性能。计算平均时间复杂度需要统计输入数据分布以及综合后的数学期望。
**空间复杂度**
- 类似于时间复杂度,空间复杂度用于衡量算法占用空间随数据量增长的趋势。
- 空间复杂度的作用类似于时间复杂度,用于衡量算法占用空间随数据量增长的趋势。
- 算法运行过程中的相关内存空间可分为输入空间、暂存空间、输出空间。通常情况下,输入空间不计入空间复杂度计算。暂存空间可分为指令空间、数据空间、栈帧空间,其中栈帧空间通常仅在递归函数中影响空间复杂度。
- 我们通常只关注最差空间复杂度,即统计算法在最差输入数据和最差运行时间点下的空间复杂度。
- 常见空间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ , $O(\log n)$ , $O(n)$ , $O(n^2)$ , $O(2^n)$ 等。
- 常见空间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ 、$O(\log n)$ 、$O(n)$ 、$O(n^2)$ 、$O(2^n)$ 等。
## 2.4.1 &nbsp; Q & A
!!! question "尾递归的空间复杂度是 $O(1)$ 吗?"
理论上,尾递归函数的空间复杂度可以被优化至 $O(1)$ 。不过绝大多数编程语言(例如 Java, Python, C++, Go, C# 等)都不支持自动优化尾递归,因此通常认为空间复杂度是 $O(n)$ 。
理论上,尾递归函数的空间复杂度可以被优化至 $O(1)$ 。不过绝大多数编程语言(例如 Java Python C++ Go C# 等)都不支持自动优化尾递归,因此通常认为空间复杂度是 $O(n)$ 。
!!! question "函数和方法这两个术语的区别是什么?"
函数function可以独立执行所有参数都以显式传递。方法method与一个对象关联方法被隐式传递给调用它的对象,方法能够对类的实例中包含的数据进行操作。
函数function可以独立执行所有参数都以显式传递。方法method与一个对象关联被隐式传递给调用它的对象能够对类的实例中包含的数据进行操作。
以几个常见的编程语言为例:
下面以几个常见的编程语言来说明。
- C 语言是过程式编程语言没有面向对象的概念所以只有函数。但我们可以通过创建结构struct来模拟面向对象编程与结构体相关联的函数就相当于其他语言中的方法。
- Java, C# 是面向对象的编程语言,代码块(方法)通常都是作为某个类的一部分。静态方法的行为类似于函数,因为它被绑定在类上,不能访问特定的实例变量。
- C++, Python 既支持过程式编程(函数)也支持面向对象编程(方法)。
- C 语言是过程式编程语言,没有面向对象的概念,所以只有函数。但我们可以通过创建结构struct来模拟面向对象编程与结构体相关联的函数就相当于其他语言中的方法。
- Java C# 是面向对象的编程语言,代码块(方法)通常都是作为某个类的一部分。静态方法的行为类似于函数,因为它被绑定在类上,不能访问特定的实例变量。
- C++ 和 Python 既支持过程式编程(函数),也支持面向对象编程(方法)。
!!! question "图“空间复杂度的常见类型”反映的是否是占用空间的绝对大小?"
!!! question "图“空间复杂度的常见类型”反映的是否是占用空间的绝对大小?"
不是,该图片展示的是空间复杂度,其反映的是增长趋势,而不是占用空间的绝对大小。
不是,该图片展示的是空间复杂度,其反映的是增长趋势,而不是占用空间的绝对大小。
假设取 $n = 8$ ,你可能会发现每条曲线的值与函数对应不上。这是因为每条曲线都包含一个常数项,用于将取值范围压缩到一个视觉舒适的范围内。

@ -7,14 +7,10 @@ comments: true
运行时间可以直观且准确地反映算法的效率。如果我们想要准确预估一段代码的运行时间,应该如何操作呢?
1. **确定运行平台**,包括硬件配置、编程语言、系统环境等,这些因素都会影响代码的运行效率。
2. **评估各种计算操作所需的运行时间**,例如加法操作 `+` 需要 1 ns乘法操作 `*` 需要 10 ns打印操作需要 5 ns 等。
2. **评估各种计算操作所需的运行时间**,例如加法操作 `+` 需要 1 ns乘法操作 `*` 需要 10 ns打印操作 `print()` 需要 5 ns 等。
3. **统计代码中所有的计算操作**,并将所有操作的执行时间求和,从而得到运行时间。
例如以下代码,输入数据大小为 $n$ 。根据以上方法,可以得到算法运行时间为 $6n + 12$ ns 。
$$
1 + 1 + 10 + (1 + 5) \times n = 6n + 12
$$
例如在以下代码中,输入数据大小为 $n$
=== "Java"
@ -185,28 +181,34 @@ $$
}
```
但实际上,**统计算法的运行时间既不合理也不现实**。首先,我们不希望预估时间和运行平台绑定,因为算法需要在各种不同的平台上运行。其次,我们很难获知每种操作的运行时间,这给预估过程带来了极大的难度。
根据以上方法,可以得到算法运行时间为 $6n + 12$ ns
$$
1 + 1 + 10 + (1 + 5) \times n = 6n + 12
$$
但实际上,**统计算法的运行时间既不合理也不现实**。首先,我们不希望将预估时间和运行平台绑定,因为算法需要在各种不同的平台上运行。其次,我们很难获知每种操作的运行时间,这给预估过程带来了极大的难度。
## 2.2.1 &nbsp; 统计时间增长趋势
「时间复杂度分析」采取了一种不同的方法,其统计的不是算法运行时间,**而是算法运行时间随着数据量变大时的增长趋势**。
“时间增长趋势”这个概念比较抽象,我们通过一个例子来加以理解。假设输入数据大小为 $n$ ,给定三个算法函数 `A` , `B` , `C`
“时间增长趋势”这个概念比较抽象,我们通过一个例子来加以理解。假设输入数据大小为 $n$ ,给定三个算法函数 `A` `B``C`
=== "Java"
```java title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
void algorithm_A(int n) {
System.out.println(0);
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
void algorithm_B(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
System.out.println(0);
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
void algorithm_C(int n) {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
System.out.println(0);
@ -217,17 +219,17 @@ $$
=== "C++"
```cpp title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
void algorithm_A(int n) {
cout << 0 << endl;
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
void algorithm_B(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
cout << 0 << endl;
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
void algorithm_C(int n) {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
cout << 0 << endl;
@ -238,14 +240,14 @@ $$
=== "Python"
```python title=""
# 算法 A 时间复杂度:常数阶
# 算法 A 时间复杂度:常数阶
def algorithm_A(n: int):
print(0)
# 算法 B 时间复杂度:线性阶
# 算法 B 时间复杂度:线性阶
def algorithm_B(n: int):
for _ in range(n):
print(0)
# 算法 C 时间复杂度:常数阶
# 算法 C 时间复杂度:常数阶
def algorithm_C(n: int):
for _ in range(1000000):
print(0)
@ -254,17 +256,17 @@ $$
=== "Go"
```go title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
func algorithm_A(n int) {
fmt.Println(0)
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
func algorithm_B(n int) {
for i := 0; i < n; i++ {
fmt.Println(0)
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
func algorithm_C(n int) {
for i := 0; i < 1000000; i++ {
fmt.Println(0)
@ -275,17 +277,17 @@ $$
=== "JS"
```javascript title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
function algorithm_A(n) {
console.log(0);
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
function algorithm_B(n) {
for (let i = 0; i < n; i++) {
console.log(0);
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
function algorithm_C(n) {
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
console.log(0);
@ -297,17 +299,17 @@ $$
=== "TS"
```typescript title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
function algorithm_A(n: number): void {
console.log(0);
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
function algorithm_B(n: number): void {
for (let i = 0; i < n; i++) {
console.log(0);
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
function algorithm_C(n: number): void {
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
console.log(0);
@ -318,17 +320,17 @@ $$
=== "C"
```c title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
void algorithm_A(int n) {
printf("%d", 0);
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
void algorithm_B(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
printf("%d", 0);
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
void algorithm_C(int n) {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
printf("%d", 0);
@ -339,17 +341,17 @@ $$
=== "C#"
```csharp title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
void algorithm_A(int n) {
Console.WriteLine(0);
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
void algorithm_B(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
Console.WriteLine(0);
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
void algorithm_C(int n) {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
Console.WriteLine(0);
@ -360,19 +362,19 @@ $$
=== "Swift"
```swift title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
func algorithmA(n: Int) {
print(0)
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
func algorithmB(n: Int) {
for _ in 0 ..< n {
print(0)
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
func algorithmC(n: Int) {
for _ in 0 ..< 1000000 {
print(0)
@ -389,17 +391,17 @@ $$
=== "Dart"
```dart title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
void algorithmA(int n) {
print(0);
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
void algorithmB(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
print(0);
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
void algorithmC(int n) {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
print(0);
@ -410,17 +412,17 @@ $$
=== "Rust"
```rust title=""
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
fn algorithm_A(n: i32) {
println!("{}", 0);
}
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
fn algorithm_B(n: i32) {
for _ in 0..n {
println!("{}", 0);
}
}
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
fn algorithm_C(n: i32) {
for _ in 0..1000000 {
println!("{}", 0);
@ -434,21 +436,19 @@ $$
算法 `C` 中的打印操作需要循环 $1000000$ 次,虽然运行时间很长,但它与输入数据大小 $n$ 无关。因此 `C` 的时间复杂度和 `A` 相同,仍为「常数阶」。
![算法 A, B, C 的时间增长趋势](time_complexity.assets/time_complexity_simple_example.png)
![算法 A 、B 和 C 的时间增长趋势](time_complexity.assets/time_complexity_simple_example.png)
<p align="center"> 图:算法 A, B, C 的时间增长趋势 </p>
<p align="center"> 图:算法 A 、B 和 C 的时间增长趋势 </p>
相较于直接统计算法运行时间,时间复杂度分析有哪些特点呢?
**时间复杂度能够有效评估算法效率**。例如,算法 `B` 的运行时间呈线性增长,在 $n > 1$ 时比算法 `A` 更慢,在 $n > 1000000$ 时比算法 `C` 更慢。事实上,只要输入数据大小 $n$ 足够大,复杂度为“常数阶”的算法一定优于“线性阶”的算法,这正是时间增长趋势所表达的含义。
**时间复杂度的推算方法更简便**。显然,运行平台和计算操作类型都与算法运行时间的增长趋势无关。因此在时间复杂度分析中,我们可以简单地将所有计算操作的执行时间视为相同的“单位时间”,从而将“计算操作的运行时间的统计”简化为“计算操作的数量的统计”,这样以来估算难度就大大降低了。
**时间复杂度也存在一定的局限性**。例如,尽管算法 `A``C` 的时间复杂度相同,但实际运行时间差别很大。同样,尽管算法 `B` 的时间复杂度比 `C` 高,但在输入数据大小 $n$ 较小时,算法 `B` 明显优于算法 `C` 。在这些情况下,我们很难仅凭时间复杂度判断算法效率高低。当然,尽管存在上述问题,复杂度分析仍然是评判算法效率最有效且常用的方法。
- **时间复杂度能够有效评估算法效率**。例如,算法 `B` 的运行时间呈线性增长,在 $n > 1$ 时比算法 `A` 更慢,在 $n > 1000000$ 时比算法 `C` 更慢。事实上,只要输入数据大小 $n$ 足够大,复杂度为“常数阶”的算法一定优于“线性阶”的算法,这正是时间增长趋势所表达的含义。
- **时间复杂度的推算方法更简便**。显然,运行平台和计算操作类型都与算法运行时间的增长趋势无关。因此在时间复杂度分析中,我们可以简单地将所有计算操作的执行时间视为相同的“单位时间”,从而将“计算操作的运行时间的统计”简化为“计算操作的数量的统计”,这样以来估算难度就大大降低了。
- **时间复杂度也存在一定的局限性**。例如,尽管算法 `A``C` 的时间复杂度相同,但实际运行时间差别很大。同样,尽管算法 `B` 的时间复杂度比 `C` 高,但在输入数据大小 $n$ 较小时,算法 `B` 明显优于算法 `C` 。在这些情况下,我们很难仅凭时间复杂度判断算法效率的高低。当然,尽管存在上述问题,复杂度分析仍然是评判算法效率最有效且常用的方法。
## 2.2.2 &nbsp; 函数渐近上界
给定一个函数 `algorithm()`
给定一个输入大小为 $n$ 的函数
=== "Java"
@ -609,15 +609,15 @@ $$
}
```
设算法的计算操作数量是一个关于输入数据大小 $n$ 的函数,记为 $T(n)$ ,则以上函数的的操作数量为:
设算法的操作数量是一个关于输入数据大小 $n$ 的函数,记为 $T(n)$ ,则以上函数的的操作数量为:
$$
T(n) = 3 + 2n
$$
$T(n)$ 是一次函数,说明时间的增长趋势是线性的,因此其时间复杂度是线性阶。
$T(n)$ 是一次函数,说明其运行时间的增长趋势是线性的,因此它的时间复杂度是线性阶。
我们将线性阶的时间复杂度记为 $O(n)$ ,这个数学符号称为「大 $O$ 记号 Big-$O$ Notation」表示函数 $T(n)$ 的「渐近上界 Asymptotic Upper Bound」。
我们将线性阶的时间复杂度记为 $O(n)$ ,这个数学符号称为「大 $O$ 记号 big-$O$ notation」表示函数 $T(n)$ 的「渐近上界 asymptotic upper bound」。
时间复杂度分析本质上是计算“操作数量函数 $T(n)$”的渐近上界。接下来,我们来看函数渐近上界的数学定义。
@ -632,27 +632,27 @@ $T(n)$ 是一次函数,说明时间的增长趋势是线性的,因此其时
T(n) = O(f(n))
$$
如下图所示,计算渐近上界就是寻找一个函数 $f(n)$ ,使得当 $n$ 趋向于无穷大时,$T(n)$ 和 $f(n)$ 处于相同的增长级别,仅相差一个常数项 $c$ 的倍数。
![函数的渐近上界](time_complexity.assets/asymptotic_upper_bound.png)
<p align="center"> 图:函数的渐近上界 </p>
也就是说,计算渐近上界就是寻找一个函数 $f(n)$ ,使得当 $n$ 趋向于无穷大时,$T(n)$ 和 $f(n)$ 处于相同的增长级别,仅相差一个常数项 $c$ 的倍数。
## 2.2.3 &nbsp; 推算方法
渐近上界的数学味儿有点重,如果你感觉没有完全理解,也无担心。因为在实际使用中,我们只需要掌握推算方法,数学意义可以逐渐领悟。
渐近上界的数学味儿有点重,如果你感觉没有完全理解,也无担心。因为在实际使用中,我们只需要掌握推算方法,数学意义可以逐渐领悟。
根据定义,确定 $f(n)$ 之后,我们便可得到时间复杂度 $O(f(n))$ 。那么如何确定渐近上界 $f(n)$ 呢?总体分为两步:首先统计操作数量,然后判断渐近上界。
### 1. &nbsp; 第一步:统计操作数量
针对代码,逐行从上到下计算即可。然而,由于上述 $c \cdot f(n)$ 中的常数项 $c$ 可以取任意大小,**因此操作数量 $T(n)$ 中的各种系数、常数项都可以被忽略**。根据此原则,可以总结出以下计数简化技巧
针对代码,逐行从上到下计算即可。然而,由于上述 $c \cdot f(n)$ 中的常数项 $c$ 可以取任意大小,**因此操作数量 $T(n)$ 中的各种系数、常数项都可以被忽略**。根据此原则,可以总结出以下计数简化技巧
1. **忽略 $T(n)$ 中的常数项**。因为它们都与 $n$ 无关,所以对时间复杂度不产生影响。
2. **省略所有系数**。例如,循环 $2n$ 次、$5n + 1$ 次等,都可以简化记为 $n$ 次,因为 $n$ 前面的系数对时间复杂度没有影响。
3. **循环嵌套时使用乘法**。总操作数量等于外层循环和内层循环操作数量之积,每一层循环依然可以分别套用上述 `1.``2.` 技巧。
以下示例展示了使用上述技巧前、后的统计结果。两者推出的时间复杂度相同,即为 $O(n^2)$ 。
以下代码与公式分别展示了使用上述技巧前后的统计结果。两者推出的时间复杂度相同,都为 $O(n^2)$ 。
$$
\begin{aligned}
@ -880,7 +880,8 @@ $$
**时间复杂度由多项式 $T(n)$ 中最高阶的项来决定**。这是因为在 $n$ 趋于无穷大时,最高阶的项将发挥主导作用,其他项的影响都可以被忽略。
以下表格展示了一些例子,其中一些夸张的值是为了强调“系数无法撼动阶数”这一结论。当 $n$ 趋于无穷大时,这些常数变得无足轻重。
<p align="center"> 表:多项式时间复杂度示例 </p>
<p align="center"> 表:不同操作数量对应的时间复杂度 </p>
<div class="center-table" markdown>
@ -905,19 +906,19 @@ O(1) < O(\log n) < O(n) < O(n \log n) < O(n^2) < O(2^n) < O(n!) \newline
\end{aligned}
$$
![时间复杂度的常见类型](time_complexity.assets/time_complexity_common_types.png)
![常见的时间复杂度类型](time_complexity.assets/time_complexity_common_types.png)
<p align="center"> 图:时间复杂度的常见类型 </p>
<p align="center"> 图:常见的时间复杂度类型 </p>
!!! tip
部分示例代码需要一些预备知识,包括数组、递归等。如果你遇到不理解的部分,可以在学完后面章节后再回顾。现阶段,请先专注于理解时间复杂度的含义和推算方法。
部分示例代码需要一些预备知识,包括数组、递归等。如果你遇到不理解的部分,可以在学完后面章节后再回顾。现阶段,请先专注于理解时间复杂度的含义和推算方法。
### 1. &nbsp; 常数阶 $O(1)$
常数阶的操作数量与输入数据大小 $n$ 无关,即不随着 $n$ 的变化而变化。
对于以下算法,尽管操作数量 `size` 可能很大,但由于其与数据大小 $n$ 无关,因此时间复杂度仍为 $O(1)$
对于以下算法,尽管操作数量 `size` 可能很大,但由于其与输入数据大小 $n$ 无关,因此时间复杂度仍为 $O(1)$
=== "Java"
@ -1084,7 +1085,7 @@ $$
### 2. &nbsp; 线性阶 $O(n)$
线性阶的操作数量相对于输入数据大小以线性级别增长。线性阶通常出现在单层循环中
线性阶的操作数量相对于输入数据大小 $n$ 以线性级别增长。线性阶通常出现在单层循环中
=== "Java"
@ -1234,7 +1235,7 @@ $$
}
```
遍历数组和遍历链表等操作的时间复杂度均为 $O(n)$ ,其中 $n$ 为数组或链表的长度
遍历数组和遍历链表等操作的时间复杂度均为 $O(n)$ ,其中 $n$ 为数组或链表的长度
=== "Java"
@ -1402,11 +1403,11 @@ $$
}
```
值得注意的是,**数据大小 $n$ 需根据输入数据的类型来具体确定**。比如在第一个示例中,变量 $n$ 为输入数据大小;在第二个示例中,数组长度 $n$ 为数据大小。
值得注意的是,**输入数据大小 $n$ 需根据输入数据的类型来具体确定**。比如在第一个示例中,变量 $n$ 为输入数据大小;在第二个示例中,数组长度 $n$ 为数据大小。
### 3. &nbsp; 平方阶 $O(n^2)$
平方阶的操作数量相对于输入数据大小以平方级别增长。平方阶通常出现在嵌套循环中,外层循环和内层循环都为 $O(n)$ ,因此总体为 $O(n^2)$
平方阶的操作数量相对于输入数据大小以平方级别增长。平方阶通常出现在嵌套循环中,外层循环和内层循环都为 $O(n)$ ,因此总体为 $O(n^2)$
=== "Java"
@ -1599,11 +1600,13 @@ $$
}
```
![常数阶、线性阶、平方阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_constant_linear_quadratic.png)
下图对比了常数阶、线性阶和平方阶三种时间复杂度。
<p align="center"> 图:常数阶、线性阶、平方阶的时间复杂度 </p>
![常数阶、线性阶和平方阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_constant_linear_quadratic.png)
以「冒泡排序」为例,外层循环执行 $n - 1$ 次,内层循环执行 $n-1, n-2, \cdots, 2, 1$ 次,平均为 $\frac{n}{2}$ 次,因此时间复杂度为 $O(n^2)$ 。
<p align="center"> 图:常数阶、线性阶和平方阶的时间复杂度 </p>
以冒泡排序为例,外层循环执行 $n - 1$ 次,内层循环执行 $n-1, n-2, \cdots, 2, 1$ 次,平均为 $\frac{n}{2}$ 次,因此时间复杂度为 $O(n^2)$
$$
O((n - 1) \frac{n}{2}) = O(n^2)
@ -1883,9 +1886,7 @@ $$
### 4. &nbsp; 指数阶 $O(2^n)$
生物学的“细胞分裂”是指数阶增长的典型例子:初始状态为 $1$ 个细胞,分裂一轮后变为 $2$ 个,分裂两轮后变为 $4$ 个,以此类推,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。
以下代码模拟了细胞分裂的过程。
生物学的“细胞分裂”是指数阶增长的典型例子:初始状态为 $1$ 个细胞,分裂一轮后变为 $2$ 个,分裂两轮后变为 $4$ 个,以此类推,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。相关代码如下:
=== "Java"
@ -2109,11 +2110,13 @@ $$
}
```
下图展示了细胞分裂的过程。
![指数阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_exponential.png)
<p align="center"> 图:指数阶的时间复杂度 </p>
在实际算法中,指数阶常出现于递归函数。例如以下代码,其递归地一分为二,经过 $n$ 次分裂后停止
在实际算法中,指数阶常出现于递归函数。例如以下代码,其递归地一分为二,经过 $n$ 次分裂后停止
=== "Java"
@ -2248,7 +2251,7 @@ $$
### 5. &nbsp; 对数阶 $O(\log n)$
与指数阶相反,对数阶反映了“每轮缩减到一半”的情况。设输入数据大小为 $n$ ,由于每轮缩减到一半,因此循环次数是 $\log_2 n$ ,即 $2^n$ 的反函数。
与指数阶相反,对数阶反映了“每轮缩减到一半”的情况。设输入数据大小为 $n$ ,由于每轮缩减到一半,因此循环次数是 $\log_2 n$ ,即 $2^n$ 的反函数。相关代码如下:
=== "Java"
@ -2423,7 +2426,7 @@ $$
<p align="center"> 图:对数阶的时间复杂度 </p>
与指数阶类似,对数阶也常出现于递归函数。以下代码形成了一个高度为 $\log_2 n$ 的递归树
与指数阶类似,对数阶也常出现于递归函数。以下代码形成了一个高度为 $\log_2 n$ 的递归树
=== "Java"
@ -2554,13 +2557,11 @@ $$
}
```
对数阶常出现于基于「分治」的算法中,体现了“一分为多”和“化繁为简”的算法思想。它增长缓慢,是理想的时间复杂度,仅次于常数阶。
对数阶常出现于基于分治策略的算法中,体现了“一分为多”和“化繁为简”的算法思想。它增长缓慢,是理想的时间复杂度,仅次于常数阶。
### 6. &nbsp; 线性对数阶 $O(n \log n)$
线性对数阶常出现于嵌套循环中,两层循环的时间复杂度分别为 $O(\log n)$ 和 $O(n)$ 。
主流排序算法的时间复杂度通常为 $O(n \log n)$ ,例如快速排序、归并排序、堆排序等。
线性对数阶常出现于嵌套循环中,两层循环的时间复杂度分别为 $O(\log n)$ 和 $O(n)$ 。相关代码如下:
=== "Java"
@ -2748,6 +2749,8 @@ $$
<p align="center"> 图:线性对数阶的时间复杂度 </p>
主流排序算法的时间复杂度通常为 $O(n \log n)$ ,例如快速排序、归并排序、堆排序等。
### 7. &nbsp; 阶乘阶 $O(n!)$
阶乘阶对应数学上的“全排列”问题。给定 $n$ 个互不重复的元素,求其所有可能的排列方案,方案数量为:
@ -2756,7 +2759,7 @@ $$
n! = n \times (n - 1) \times (n - 2) \times \cdots \times 2 \times 1
$$
阶乘通常使用递归实现。例如以下代码,第一层分裂出 $n$ 个,第二层分裂出 $n - 1$ 个,以此类推,直至第 $n$ 层时终止分裂。
阶乘通常使用递归实现。例如以下代码,第一层分裂出 $n$ 个,第二层分裂出 $n - 1$ 个,以此类推,直至第 $n$ 层时停止分裂:
=== "Java"
@ -2950,16 +2953,16 @@ $$
<p align="center"> 图:阶乘阶的时间复杂度 </p>
请注意,因为 $n! > 2^n$ ,所以阶乘阶比指数阶增长更快,在 $n$ 较大时也是不可接受的。
请注意,因为 $n! > 2^n$ ,所以阶乘阶比指数阶增长更快,在 $n$ 较大时也是不可接受的。
## 2.2.5 &nbsp; 最差、最佳、平均时间复杂度
**算法的时间效率往往不是固定的,而是与输入数据的分布有关**。假设输入一个长度为 $n$ 的数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,但元素顺序是随机打乱的,任务目标是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论
**算法的时间效率往往不是固定的,而是与输入数据的分布有关**。假设输入一个长度为 $n$ 的数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,每个数字只出现一次,但元素顺序是随机打乱的,任务目标是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论
- 当 `nums = [?, ?, ..., 1]` ,即当末尾元素是 $1$ 时,需要完整遍历数组,**达到最差时间复杂度 $O(n)$** 。
- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个数字为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,**达到最佳时间复杂度 $\Omega(1)$** 。
- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个元素为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,**达到最佳时间复杂度 $\Omega(1)$** 。
「最差时间复杂度」对应函数渐近上界,使用大 $O$ 记号表示。相应地,「最佳时间复杂度」对应函数渐近下界,用 $\Omega$ 记号表示
「最差时间复杂度」对应函数渐近上界,使用大 $O$ 记号表示。相应地,「最佳时间复杂度」对应函数渐近下界,用 $\Omega$ 记号表示
=== "Java"
@ -3315,10 +3318,10 @@ $$
从上述示例可以看出,最差或最佳时间复杂度只出现于“特殊的数据分布”,这些情况的出现概率可能很小,并不能真实地反映算法运行效率。相比之下,**「平均时间复杂度」可以体现算法在随机输入数据下的运行效率**,用 $\Theta$ 记号来表示。
对于部分算法,我们可以简单地推算出随机数据分布下的平均情况。比如上述示例,由于输入数组是被打乱的,因此元素 $1$ 出现在任意索引的概率都是相等的,那么算法的平均循环次数是数组长度的一半 $\frac{n}{2}$ ,平均时间复杂度为 $\Theta(\frac{n}{2}) = \Theta(n)$ 。
对于部分算法,我们可以简单地推算出随机数据分布下的平均情况。比如上述示例,由于输入数组是被打乱的,因此元素 $1$ 出现在任意索引的概率都是相等的,那么算法的平均循环次数是数组长度的一半 $\frac{n}{2}$ ,平均时间复杂度为 $\Theta(\frac{n}{2}) = \Theta(n)$ 。
但对于较为复杂的算法,计算平均时间复杂度往往是比较困难的,因为很难分析出在数据分布下的整体数学期望。在这种情况下,我们通常使用最差时间复杂度作为算法效率的评判标准。
!!! question "为什么很少看到 $\Theta$ 符号?"
可能由于 $O$ 符号过于朗朗上口,我们常常使用它来表示「平均复杂度」,但从严格意义上看,这种做法并不规范。在本书和其他资料中,若遇到类似“平均时间复杂度 $O(n)$”的表述,请将其直接理解为 $\Theta(n)$ 。
可能由于 $O$ 符号过于朗朗上口,我们常常使用它来表示平均时间复杂度。但从严格意义上看,这种做法并不规范。在本书和其他资料中,若遇到类似“平均时间复杂度 $O(n)$”的表述,请将其直接理解为 $\Theta(n)$ 。

@ -20,7 +20,7 @@ comments: true
- 整数类型 `byte` 占用 $1$ byte = $8$ bits ,可以表示 $2^{8}$ 个数字。
- 整数类型 `int` 占用 $4$ bytes = $32$ bits ,可以表示 $2^{32}$ 个数字。
下表列举了各种基本数据类型的占用空间、取值范围和默认值。此表格无硬背,大致理解即可,需要时可以通过查表来回忆。
下表列举了各种基本数据类型的占用空间、取值范围和默认值。此表格无硬背,大致理解即可,需要时可以通过查表来回忆。
<p align="center"> 表:基本数据类型的占用空间和取值范围 </p>
<div class="center-table" markdown>

@ -88,7 +88,7 @@ $$
请注意,这并不意味着计算机只能做加法。**通过将加法与一些基本逻辑运算结合,计算机能够实现各种其他的数学运算**。例如,计算减法 $a - b$ 可以转换为计算加法 $a + (-b)$ ;计算乘法和除法可以转换为计算多次加法或减法。
现在我们可以总结出计算机使用补码的原因:基于补码表示,计算机可以用同样的电路和操作来处理正数和负数的加法,不需要设计特殊的硬件电路来处理减法,并且无特别处理正负零的歧义问题。这大大简化了硬件设计,提高了运算效率。
现在我们可以总结出计算机使用补码的原因:基于补码表示,计算机可以用同样的电路和操作来处理正数和负数的加法,不需要设计特殊的硬件电路来处理减法,并且无特别处理正负零的歧义问题。这大大简化了硬件设计,提高了运算效率。
补码的设计非常精妙,因篇幅关系我们就先介绍到这里,建议有兴趣的读者进一步深度了解。

@ -19,7 +19,7 @@ status: new
- **问题可以被分解**:二分查找递归地将原问题(在数组中进行查找)分解为子问题(在数组的一半中进行查找),这是通过比较中间元素和目标元素来实现的。
- **子问题是独立的**:在二分查找中,每轮只处理一个子问题,它不受另外子问题的影响。
- **子问题的解无合并**:二分查找旨在查找一个特定元素,因此不需要将子问题的解进行合并。当子问题得到解决时,原问题也会同时得到解决。
- **子问题的解无合并**:二分查找旨在查找一个特定元素,因此不需要将子问题的解进行合并。当子问题得到解决时,原问题也会同时得到解决。
分治能够提升搜索效率,本质上是因为暴力搜索每轮只能排除一个选项,**而分治搜索每轮可以排除一半选项**。

@ -8,7 +8,7 @@ status: new
- 分治算法是一种常见的算法设计策略,包括分(划分)和治(合并)两个阶段,通常基于递归实现。
- 判断是否是分治算法问题的依据包括:问题能否被分解、子问题是否独立、子问题是否可以被合并。
- 归并排序是分治策略的典型应用,其递归地将数组划分为等长的两个子数组,直到只剩一个元素时开始逐层合并,从而完成排序。
- 引入分治策略往往可以带来算法效率的提升。一方面,分治策略减少了计算操作数量;另一方面,分治后有利于系统的并行优化。
- 引入分治策略往往可以带来算法效率的提升。一方面,分治策略减少了操作数量;另一方面,分治后有利于系统的并行优化。
- 分治既可以解决许多算法问题,也广泛应用于数据结构与算法设计中,处处可见其身影。
- 相较于暴力搜索,自适应搜索效率更高。时间复杂度为 $O(\log n)$ 的搜索算法通常都是基于分治策略实现的。
- 二分查找是分治思想的另一个典型应用,它不包含将子问题的解进行合并的步骤。我们可以通过递归分治实现二分查找。

@ -435,7 +435,7 @@ $$
「无后效性」是动态规划能够有效解决问题的重要特性之一,定义为:**给定一个确定的状态,它的未来发展只与当前状态有关,而与当前状态过去所经历过的所有状态无关**。
以爬楼梯问题为例,给定状态 $i$ ,它会发展出状态 $i+1$ 和状态 $i+2$ ,分别对应跳 $1$ 步和跳 $2$ 步。在做出这两种选择时,我们无考虑状态 $i$ 之前的状态,它们对状态 $i$ 的未来没有影响。
以爬楼梯问题为例,给定状态 $i$ ,它会发展出状态 $i+1$ 和状态 $i+2$ ,分别对应跳 $1$ 步和跳 $2$ 步。在做出这两种选择时,我们无考虑状态 $i$ 之前的状态,它们对状态 $i$ 的未来没有影响。
然而,如果我们向爬楼梯问题添加一个约束,情况就不一样了。

@ -64,7 +64,7 @@ $$
dp[i, j] = \min(dp[i, j-1], dp[i-1, j], dp[i-1, j-1]) + 1
$$
请注意,**当 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ 相同时,无编辑当前字符**,这种情况下的状态转移方程为:
请注意,**当 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ 相同时,无编辑当前字符**,这种情况下的状态转移方程为:
$$
dp[i, j] = dp[i-1, j-1]

@ -929,7 +929,7 @@ $$
与之相反,**动态规划是一种“从底至顶”的方法**:从最小子问题的解开始,迭代地构建更大子问题的解,直至得到原问题的解。
由于动态规划不包含回溯过程,因此只需使用循环迭代实现,无使用递归。在以下代码中,我们初始化一个数组 `dp` 来存储子问题的解,它起到了记忆化搜索中数组 `mem` 相同的记录作用。
由于动态规划不包含回溯过程,因此只需使用循环迭代实现,无使用递归。在以下代码中,我们初始化一个数组 `dp` 来存储子问题的解,它起到了记忆化搜索中数组 `mem` 相同的记录作用。
=== "Java"
@ -1169,7 +1169,7 @@ $$
## 14.1.4 &nbsp; 状态压缩
细心的你可能发现,**由于 $dp[i]$ 只与 $dp[i-1]$ 和 $dp[i-2]$ 有关,因此我们无使用一个数组 `dp` 来存储所有子问题的解**,而只需两个变量滚动前进即可。
细心的你可能发现,**由于 $dp[i]$ 只与 $dp[i-1]$ 和 $dp[i-2]$ 有关,因此我们无使用一个数组 `dp` 来存储所有子问题的解**,而只需两个变量滚动前进即可。
=== "Java"

@ -24,5 +24,5 @@ status: new
**编辑距离问题**
- 编辑距离Levenshtein 距离)用于衡量两个字符串之间的相似度,其定义为从一个字符串到另一个字符串的最小编辑步数,编辑操作包括添加、删除、替换。
- 编辑距离问题的状态定义为将 $s$ 的前 $i$ 个字符更改为 $t$ 的前 $j$ 个字符所需的最少编辑步数。当 $s[i] \ne t[j]$ 时,具有三种决策:添加、删除、替换,它们都有相应的剩余子问题。据此便可以找出最优子结构与构建状态转移方程。而当 $s[i] = t[j]$ 时,无编辑当前字符。
- 编辑距离问题的状态定义为将 $s$ 的前 $i$ 个字符更改为 $t$ 的前 $j$ 个字符所需的最少编辑步数。当 $s[i] \ne t[j]$ 时,具有三种决策:添加、删除、替换,它们都有相应的剩余子问题。据此便可以找出最优子结构与构建状态转移方程。而当 $s[i] = t[j]$ 时,无编辑当前字符。
- 在编辑距离中,状态依赖于其正上方、正左方、左上方的状态,因此状态压缩后正序或倒序遍历都无法正确地进行状态转移。为此,我们利用一个变量暂存左上方状态,从而转化到与完全背包等价的情况,可以在状态压缩后进行正序遍历。

@ -1202,7 +1202,7 @@ $$
dp[i, a] = dp[i-1, a] + dp[i, a - coins[i-1]]
$$
当目标金额为 $0$ 时,无选择任何硬币即可凑出目标金额,因此应将首列所有 $dp[i, 0]$ 都初始化为 $1$ 。当无硬币时,无法凑出任何 $>0$ 的目标金额,因此首行所有 $dp[0, a]$ 都等于 $0$ 。
当目标金额为 $0$ 时,无选择任何硬币即可凑出目标金额,因此应将首列所有 $dp[i, 0]$ 都初始化为 $1$ 。当无硬币时,无法凑出任何 $>0$ 的目标金额,因此首行所有 $dp[0, a]$ 都等于 $0$ 。
### 2. &nbsp; 代码实现

@ -1155,7 +1155,7 @@ comments: true
- 如果我们选择通过顶点值来区分不同顶点,那么值重复的顶点将无法被区分。
- 如果类似邻接矩阵那样,使用顶点列表索引来区分不同顶点。那么,假设我们想要删除索引为 $i$ 的顶点,则需要遍历整个邻接表,将其中 $> i$ 的索引全部减 $1$ ,这样操作效率较低。
- 因此我们考虑引入顶点类 `Vertex` ,使得每个顶点都是唯一的对象,此时删除顶点时就无改动其余顶点了。
- 因此我们考虑引入顶点类 `Vertex` ,使得每个顶点都是唯一的对象,此时删除顶点时就无改动其余顶点了。
=== "Java"

@ -66,7 +66,7 @@ $$
### 2. &nbsp; 代码实现
在代码中,我们无通过循环来切分整数,而可以利用向下整除运算得到 $3$ 的个数 $a$ ,用取模运算得到余数 $b$ ,此时有:
在代码中,我们无通过循环来切分整数,而可以利用向下整除运算得到 $3$ 的个数 $a$ ,用取模运算得到余数 $b$ ,此时有:
$$
n = 3 a + b

@ -16,7 +16,7 @@ comments: true
有趣的是,存在一种更高效的建堆方法,其时间复杂度可以达到 $O(n)$ 。我们先将列表所有元素原封不动添加到堆中,然后倒序遍历该堆,依次对每个节点执行“从顶至底堆化”。
请注意,因为叶节点没有子节点,所以无堆化。在代码实现中,我们从最后一个节点的父节点开始进行堆化。
请注意,因为叶节点没有子节点,所以无堆化。在代码实现中,我们从最后一个节点的父节点开始进行堆化。
=== "Java"

@ -680,7 +680,7 @@ comments: true
给定元素 `val` ,我们首先将其添加到堆底。添加之后,由于 val 可能大于堆中其他元素,堆的成立条件可能已被破坏。因此,**需要修复从插入节点到根节点的路径上的各个节点**,这个操作被称为「堆化 Heapify」。
考虑从入堆节点开始,**从底至顶执行堆化**。具体来说,我们比较插入节点与其父节点的值,如果插入节点更大,则将它们交换。然后继续执行此操作,从底至顶修复堆中的各个节点,直至越过根节点或遇到无交换的节点时结束。
考虑从入堆节点开始,**从底至顶执行堆化**。具体来说,我们比较插入节点与其父节点的值,如果插入节点更大,则将它们交换。然后继续执行此操作,从底至顶修复堆中的各个节点,直至越过根节点或遇到无交换的节点时结束。
=== "<1>"
![元素入堆步骤](heap.assets/heap_push_step1.png)
@ -729,7 +729,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
int p = parent(i);
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if (p < 0 || maxHeap.get(i) <= maxHeap.get(p))
break;
// 交换两节点
@ -756,7 +756,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
int p = parent(i);
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if (p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p])
break;
// 交换两节点
@ -782,7 +782,7 @@ comments: true
while True:
# 获取节点 i 的父节点
p = self.parent(i)
# 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
# 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if p < 0 or self.max_heap[i] <= self.max_heap[p]:
break
# 交换两节点
@ -807,7 +807,7 @@ comments: true
for true {
// 获取节点 i 的父节点
p := h.parent(i)
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if p < 0 || h.data[i].(int) <= h.data[p].(int) {
break
}
@ -835,7 +835,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
const p = this.#parent(i);
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if (p < 0 || this.#maxHeap[i] <= this.#maxHeap[p]) break;
// 交换两节点
this.#swap(i, p);
@ -861,7 +861,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
const p = this.parent(i);
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if (p < 0 || this.maxHeap[i] <= this.maxHeap[p]) break;
// 交换两节点
this.swap(i, p);
@ -894,7 +894,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
int p = parent(h, i);
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if (p < 0 || h->data[i] <= h->data[p]) {
break;
}
@ -922,7 +922,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
int p = parent(i);
// 若“越过根节点”或“节点无修复”,则结束堆化
// 若“越过根节点”或“节点无修复”,则结束堆化
if (p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p])
break;
// 交换两节点
@ -950,7 +950,7 @@ comments: true
while true {
// 获取节点 i 的父节点
let p = parent(i: i)
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p] {
break
}
@ -979,7 +979,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
var p = parent(i);
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if (p < 0 or self.max_heap.?.items[i] <= self.max_heap.?.items[p]) break;
// 交换两节点
try self.swap(i, p);
@ -1005,7 +1005,7 @@ comments: true
while (true) {
// 获取节点 i 的父节点
int p = _parent(i);
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
// 当“越过根节点”或“节点无修复”时,结束堆化
if (p < 0 || _maxHeap[i] <= _maxHeap[p]) {
break;
}
@ -1037,7 +1037,7 @@ comments: true
}
// 获取节点 i 的父节点
let p = Self::parent(i);
// 当“节点无修复”时,结束堆化
// 当“节点无修复”时,结束堆化
if self.max_heap[i] <= self.max_heap[p] {
break;
}
@ -1057,7 +1057,7 @@ comments: true
2. 交换完成后,将堆底从列表中删除(注意,由于已经交换,实际上删除的是原来的堆顶元素)。
3. 从根节点开始,**从顶至底执行堆化**。
顾名思义,**从顶至底堆化的操作方向与从底至顶堆化相反**,我们将根节点的值与其两个子节点的值进行比较,将最大的子节点与根节点交换;然后循环执行此操作,直到越过叶节点或遇到无交换的节点时结束。
顾名思义,**从顶至底堆化的操作方向与从底至顶堆化相反**,我们将根节点的值与其两个子节点的值进行比较,将最大的子节点与根节点交换;然后循环执行此操作,直到越过叶节点或遇到无交换的节点时结束。
=== "<1>"
![堆顶元素出堆步骤](heap.assets/heap_pop_step1.png)
@ -1120,7 +1120,7 @@ comments: true
ma = l;
if (r < size() && maxHeap.get(r) > maxHeap.get(ma))
ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i)
break;
// 交换两节点
@ -1153,12 +1153,12 @@ comments: true
while (true) {
// 判断节点 i, l, r 中值最大的节点,记为 ma
int l = left(i), r = right(i), ma = i;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (l < size() && maxHeap[l] > maxHeap[ma])
ma = l;
if (r < size() && maxHeap[r] > maxHeap[ma])
ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i)
break;
swap(maxHeap[i], maxHeap[ma]);
@ -1194,7 +1194,7 @@ comments: true
ma = l
if r < self.size() and self.max_heap[r] > self.max_heap[ma]:
ma = r
# 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
# 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if ma == i:
break
# 交换两节点
@ -1236,7 +1236,7 @@ comments: true
if r < h.size() && h.data[r].(int) > h.data[max].(int) {
max = r
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if max == i {
break
}
@ -1274,7 +1274,7 @@ comments: true
let ma = i;
if (l < this.size() && this.#maxHeap[l] > this.#maxHeap[ma]) ma = l;
if (r < this.size() && this.#maxHeap[r] > this.#maxHeap[ma]) ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma === i) break;
// 交换两节点
this.#swap(i, ma);
@ -1310,7 +1310,7 @@ comments: true
let ma = i;
if (l < this.size() && this.maxHeap[l] > this.maxHeap[ma]) ma = l;
if (r < this.size() && this.maxHeap[r] > this.maxHeap[ma]) ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma === i) break;
// 交换两节点
this.swap(i, ma);
@ -1355,7 +1355,7 @@ comments: true
if (r < size(h) && h->data[r] > h->data[max]) {
max = r;
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (max == i) {
break;
}
@ -1438,7 +1438,7 @@ comments: true
if r < size(), maxHeap[r] > maxHeap[ma] {
ma = r
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if ma == i {
break
}
@ -1477,7 +1477,7 @@ comments: true
var ma = i;
if (l < self.size() and self.max_heap.?.items[l] > self.max_heap.?.items[ma]) ma = l;
if (r < self.size() and self.max_heap.?.items[r] > self.max_heap.?.items[ma]) ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i) break;
// 交换两节点
try self.swap(i, ma);
@ -1513,7 +1513,7 @@ comments: true
int ma = i;
if (l < size() && _maxHeap[l] > _maxHeap[ma]) ma = l;
if (r < size() && _maxHeap[r] > _maxHeap[ma]) ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i) break;
// 交换两节点
_swap(i, ma);
@ -1553,7 +1553,7 @@ comments: true
if r < self.size() && self.max_heap[r] > self.max_heap[ma] {
ma = r;
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if ma == i {
break;
}

@ -8,11 +8,11 @@ comments: true
在正式探讨算法之前,有一个有趣的事实值得分享:**你已经在不知不觉中学会了许多算法,并习惯将它们应用到日常生活中了**。下面,我将举几个具体例子来证实这一点。
**例一:查阅字典**。在字典里,每个汉字都对应一个拼音,而字典是按照拼音的英文字母顺序排列的。假设我们需要查找一个拼音首字母为 $r$ 的字,通常会这样操作:
**例一:查阅字典**。在字典里,每个汉字都对应一个拼音,而字典是按照拼音字母顺序排列的。假设我们需要查找一个拼音首字母为 $r$ 的字,通常会按照下图所示的方式实现。
1. 翻开字典约一半的页数,查看该页首字母是什么,假设首字母为 $m$ 。
2. 由于在英文字母表中 $r$ 位于 $m$ 之后,所以排除字典前半部分,查找范围缩小到后半部分。
3. 不断重复步骤 1-2 ,直至找到拼音首字母为 $r$ 的页码为止。
1. 翻开字典约一半的页数,查看该页首字母是什么,假设首字母为 $m$ 。
2. 由于在拼音字母表中 $r$ 位于 $m$ 之后,所以排除字典前半部分,查找范围缩小到后半部分。
3. 不断重复步骤 `1.` 和 步骤 `2.` ,直至找到拼音首字母为 $r$ 的页码为止。
=== "<1>"
![查字典步骤](algorithms_are_everywhere.assets/binary_search_dictionary_step_1.png)
@ -31,9 +31,9 @@ comments: true
<p align="center"> 图:查字典步骤 </p>
查阅字典这个小学生必备技能,实际上就是著名的「二分查找」。从数据结构的角度,我们可以把字典视为一个已排序的「数组」;从算法的角度,我们可以将上述查字典的一系列操作看作是「二分查找」算法
查阅字典这个小学生必备技能,实际上就是著名的二分查找算法。从数据结构的角度,我们可以把字典视为一个已排序的「数组」;从算法的角度,我们可以将上述查字典的一系列操作看作是「二分查找」。
**例二:整理扑克**。我们在打牌时,每局都需要整理扑克牌,使其从小到大排列,实现流程如下
**例二:整理扑克**。我们在打牌时,每局都需要整理扑克牌,使其从小到大排列,实现流程如下图所示。
1. 将扑克牌划分为“有序”和“无序”两部分,并假设初始状态下最左 1 张扑克牌已经有序。
2. 在无序部分抽出一张扑克牌,插入至有序部分的正确位置;完成后最左 2 张扑克已经有序。
@ -45,9 +45,9 @@ comments: true
上述整理扑克牌的方法本质上是「插入排序」算法,它在处理小型数据集时非常高效。许多编程语言的排序库函数中都存在插入排序的身影。
**例三:货币找零**。假设我们在超市购买了 $69$ 元的商品,给收银员付了 $100$ 元,则收银员需要给我们找 $31$ 元。他会很自然地完成以下思考:
**例三:货币找零**。假设我们在超市购买了 $69$ 元的商品,给收银员付了 $100$ 元,则收银员需要找我们 $31$ 元。他会很自然地完成如下图所示的思考。
1. 可选项是比 $31$ 元面值更小的货币,包括 $1$ , $5$ , $10$ , $20$ 元。
1. 可选项是比 $31$ 元面值更小的货币,包括 $1$ 元、$5$ 元、$10$ 元、$20$ 元。
2. 从可选项中拿出最大的 $20$ 元,剩余 $31 - 20 = 11$ 元。
3. 从剩余可选项中拿出最大的 $10$ 元,剩余 $11 - 10 = 1$ 元。
4. 从剩余可选项中拿出最大的 $1$ 元,剩余 $1 - 1 = 0$ 元。
@ -63,4 +63,4 @@ comments: true
!!! tip
阅读至此,如果你对数据结构、算法、数组和二分查找等概念仍感到一知半解,那么太好了!因为这正是本书存在的意义。接下来,这本书将引导你一步步深入数据结构与算法的知识殿堂。
阅读至此,如果你对数据结构、算法、数组和二分查找等概念仍感到一知半解,请继续往下阅读,因为这正是本书存在的意义。接下来,这本书将引导你一步步深入数据结构与算法的知识殿堂。

@ -5,9 +5,9 @@ comments: true
# 1.3 &nbsp; 小结
- 算法在日常生活中无处不在,并不是遥不可及的高深知识。实际上,我们已经在不知不觉中学会了许多算法,用以解决生活中的大小问题。
- 查阅字典的原理与二分查找算法相一致。二分查找体现了分而治之的重要算法思想。
- 整理扑克的过程与插入排序算法非常类似。插入排序适合排序小型数据集。
- 货币找零的步骤本质上是贪心算法,每一步都采取当前看来的最好选择。
- 查阅字典的原理与二分查找算法相一致。二分查找算法体现了分而治之的重要算法思想。
- 整理扑克的过程与插入排序算法非常类似。插入排序算法适合排序小型数据集。
- 货币找零的步骤本质上是贪心算法,每一步都采取当前看来的最好选择。
- 算法是在有限时间内解决特定问题的一组指令或操作步骤,而数据结构是计算机中组织和存储数据的方式。
- 数据结构与算法紧密相连。数据结构是算法的基石,而算法则是发挥数据结构作用的舞台。
- 乐高积木对应于数据,积木形状和连接方式代表数据结构,拼装积木的步骤则对应算法。
- 我们可以将数据结构与算法类比为拼装积木,积木代表数据,积木的形状和连接方式代表数据结构,拼装积木的步骤则对应算法。

@ -6,7 +6,7 @@ comments: true
## 1.2.1 &nbsp; 算法定义
「算法 Algorithm」是在有限时间内解决特定问题的一组指令或操作步骤。它具有以下特性:
「算法 algorithm」是在有限时间内解决特定问题的一组指令或操作步骤它具有以下特性:
- 问题是明确的,包含清晰的输入和输出定义。
- 具有可行性,能够在有限步骤、时间和内存空间下完成。
@ -14,7 +14,7 @@ comments: true
## 1.2.2 &nbsp; 数据结构定义
「数据结构 Data Structure」是计算机中组织和存储数据的方式。它的设计目标包括
「数据结构 data structure」是计算机中组织和存储数据的方式它的设计目标如下
- 空间占用尽量减少,节省计算机内存。
- 数据操作尽可能快速,涵盖数据访问、添加、删除、更新等。
@ -27,28 +27,29 @@ comments: true
## 1.2.3 &nbsp; 数据结构与算法的关系
数据结构与算法高度相关、紧密结合,具体表现在
数据结构与算法高度相关、紧密结合,具体表现在以下几个方面。
- 数据结构是算法的基石。数据结构为算法提供了结构化存储的数据,以及用于操作数据的方法。
- 算法是数据结构发挥的舞台。数据结构本身仅存储数据信息,通过结合算法才能解决特定问题。
- 特定算法通常有对应最优的数据结构。算法通常可以基于不同的数据结构进行实现,但最终执行效率可能相差很大。
- 算法是数据结构发挥作用的舞台。数据结构本身仅存储数据信息,通过结合算法才能解决特定问题。
- 特定算法通常有对应最优的数据结构。算法通常可以基于不同的数据结构进行实现,但最终执行效率可能相差很大。
![数据结构与算法的关系](what_is_dsa.assets/relationship_between_data_structure_and_algorithm.png)
<p align="center"> 图:数据结构与算法的关系 </p>
数据结构与算法犹如拼装积木。一套积木,除了包含许多零件之外,还附有详细的组装说明书。我们按照说明书一步步操作,就能组装出精美的积木模型。
数据结构与算法犹如上图所示的拼装积木。一套积木,除了包含许多零件之外,还附有详细的组装说明书。我们按照说明书一步步操作,就能组装出精美的积木模型。
![拼装积木](what_is_dsa.assets/assembling_blocks.jpg)
<p align="center"> 图:拼装积木 </p>
两者的详细对应关系如下表所示。
<p align="center"> 表:将数据结构与算法类比为积木 </p>
<div class="center-table" markdown>
| 数据结构与算法 | 积木 |
| 数据结构与算法 | 拼装积木 |
| -------------- | ---------------------------------------- |
| 输入数据 | 未拼装的积木 |
| 数据结构 | 积木组织形式,包括形状、大小、连接方式等 |

@ -104,7 +104,7 @@ comments: true
i, j = 0, len(nums) - 1
# 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
while i <= j:
# 理论上 Python 的数字可以无限大(取决于内存大小),无考虑大数越界问题
# 理论上 Python 的数字可以无限大(取决于内存大小),无考虑大数越界问题
m = (i + j) // 2 # 计算中点索引 m
if nums[m] < target:
i = m + 1 # 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
@ -636,7 +636,7 @@ comments: true
二分查找在时间和空间方面都有较好的性能:
- 二分查找的时间效率高。在大数据量下,对数阶的时间复杂度具有显著优势。例如,当数据大小 $n = 2^{20}$ 时,线性查找需要 $2^{20} = 1048576$ 轮循环,而二分查找仅需 $\log_2 2^{20} = 20$ 轮循环。
- 二分查找无额外空间。相较于需要借助额外空间的搜索算法(例如哈希查找),二分查找更加节省空间。
- 二分查找无额外空间。相较于需要借助额外空间的搜索算法(例如哈希查找),二分查找更加节省空间。
然而,二分查找并非适用于所有情况,原因如下:

@ -325,5 +325,5 @@ status: new
代码在此省略,值得注意的有:
- 给定数组不包含小数,这意味着我们无关心如何处理相等的情况。
- 给定数组不包含小数,这意味着我们无关心如何处理相等的情况。
- 因为该方法引入了小数,所以需要将函数中的变量 `target` 改为浮点数类型。

@ -20,7 +20,7 @@ comments: true
- 「线性搜索」适用于数组和链表等线性数据结构。它从数据结构的一端开始,逐个访问元素,直到找到目标元素或到达另一端仍没有找到目标元素为止。
- 「广度优先搜索」和「深度优先搜索」是图和树的两种遍历策略。广度优先搜索从初始节点开始逐层搜索,由近及远地访问各个节点。深度优先搜索是从初始节点开始,沿着一条路径走到头为止,再回溯并尝试其他路径,直到遍历完整个数据结构。
暴力搜索的优点是简单且通用性好,**无对数据做预处理和借助额外的数据结构**。
暴力搜索的优点是简单且通用性好,**无对数据做预处理和借助额外的数据结构**。
然而,**此类算法的时间复杂度为 $O(n)$** ,其中 $n$ 为元素数量,因此在数据量较大的情况下性能较差。
@ -68,7 +68,7 @@ comments: true
**线性搜索**
- 通用性较好,无任何数据预处理操作。假如我们仅需查询一次数据,那么其他三种方法的数据预处理的时间比线性搜索的时间还要更长。
- 通用性较好,无任何数据预处理操作。假如我们仅需查询一次数据,那么其他三种方法的数据预处理的时间比线性搜索的时间还要更长。
- 适用于体量较小的数据,此情况下时间复杂度对效率影响较小。
- 适用于数据更新频率较高的场景,因为该方法不需要对数据进行任何额外维护。

@ -5,8 +5,8 @@ comments: true
# 10.6 &nbsp; 小结
- 二分查找依赖于数据的有序性,通过循环逐步缩减一半搜索区间来实现查找。它要求输入数据有序,且仅适用于数组或基于数组实现的数据结构。
- 暴力搜索通过遍历数据结构来定位数据。线性搜索适用于数组和链表,广度优先搜索和深度优先搜索适用于图和树。此类算法通用性好,无对数据预处理,但时间复杂度 $O(n)$ 较高。
- 暴力搜索通过遍历数据结构来定位数据。线性搜索适用于数组和链表,广度优先搜索和深度优先搜索适用于图和树。此类算法通用性好,无对数据预处理,但时间复杂度 $O(n)$ 较高。
- 哈希查找、树查找和二分查找属于高效搜索方法,可在特定数据结构中快速定位目标元素。此类算法效率高,时间复杂度可达 $O(\log n)$ 甚至 $O(1)$ ,但通常需要借助额外数据结构。
- 实际中,我们需要对数据体量、搜索性能要求、数据查询和更新频率等因素进行具体分析,从而选择合适的搜索方法。
- 线性搜索适用于小型或频繁更新的数据;二分查找适用于大型、排序的数据;哈希查找适合对查询效率要求较高且无范围查询的数据;树查找适用于需要维护顺序和支持范围查询的大型动态数据。
- 线性搜索适用于小型或频繁更新的数据;二分查找适用于大型、排序的数据;哈希查找适合对查询效率要求较高且无范围查询的数据;树查找适用于需要维护顺序和支持范围查询的大型动态数据。
- 用哈希查找替换线性查找是一种常用的优化运行时间的策略,可将时间复杂度从 $O(n)$ 降低至 $O(1)$ 。

@ -38,7 +38,7 @@ comments: true
1. 首先,对 $n$ 个元素执行“冒泡”,**将数组的最大元素交换至正确位置**
2. 接下来,对剩余 $n - 1$ 个元素执行“冒泡”,**将第二大元素交换至正确位置**。
3. 以此类推,经过 $n - 1$ 轮“冒泡”后,**前 $n - 1$ 大的元素都被交换至正确位置**。
4. 仅剩的一个元素必定是最小元素,无排序,因此数组排序完成。
4. 仅剩的一个元素必定是最小元素,无排序,因此数组排序完成。
![冒泡排序流程](bubble_sort.assets/bubble_sort_overview.png)

@ -80,7 +80,7 @@ comments: true
ma = l;
if (r < n && nums[r] > nums[ma])
ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i)
break;
// 交换两节点
@ -124,7 +124,7 @@ comments: true
ma = l;
if (r < n && nums[r] > nums[ma])
ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i) {
break;
}
@ -165,7 +165,7 @@ comments: true
ma = l
if r < n and nums[r] > nums[ma]:
ma = r
# 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
# 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if ma == i:
break
# 交换两节点
@ -202,7 +202,7 @@ comments: true
if r < n && (*nums)[r] > (*nums)[ma] {
ma = r
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if ma == i {
break
}
@ -245,7 +245,7 @@ comments: true
if (r < n && nums[r] > nums[ma]) {
ma = r;
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma === i) {
break;
}
@ -288,7 +288,7 @@ comments: true
if (r < n && nums[r] > nums[ma]) {
ma = r;
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma === i) {
break;
}
@ -329,7 +329,7 @@ comments: true
ma = l;
if (r < n && nums[r] > nums[ma])
ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i) {
break;
}
@ -374,7 +374,7 @@ comments: true
ma = l;
if (r < n && nums[r] > nums[ma])
ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i)
break;
// 交换两节点
@ -417,7 +417,7 @@ comments: true
if r < n, nums[r] > nums[ma] {
ma = r
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if ma == i {
break
}
@ -464,7 +464,7 @@ comments: true
int ma = i;
if (l < n && nums[l] > nums[ma]) ma = l;
if (r < n && nums[r] > nums[ma]) ma = r;
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if (ma == i) break;
// 交换两节点
int temp = nums[i];
@ -509,7 +509,7 @@ comments: true
if r < n && nums[r] > nums[ma] {
ma = r;
}
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
// 若节点 i 最大或索引 l, r 越界,则无继续堆化,跳出
if ma == i {
break;
}

@ -258,7 +258,7 @@ comments: true
插入排序的时间复杂度为 $O(n^2)$ ,而我们即将学习的快速排序的时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。尽管插入排序的时间复杂度相比快速排序更高,**但在数据量较小的情况下,插入排序通常更快**。
这个结论与线性查找和二分查找的适用情况的结论类似。快速排序这类 $O(n \log n)$ 的算法属于基于分治的排序算法,往往包含更多单元计算操作。而在数据量较小时,$n^2$ 和 $n \log n$ 的数值比较接近,复杂度不占主导作用;每轮中的单元计算操作数量起到决定性因素。
这个结论与线性查找和二分查找的适用情况的结论类似。快速排序这类 $O(n \log n)$ 的算法属于基于分治的排序算法,往往包含更多单元计算操作。而在数据量较小时,$n^2$ 和 $n \log n$ 的数值比较接近,复杂度不占主导作用;每轮中的单元操作数量起到决定性因素。
实际上,许多编程语言(例如 Java的内置排序函数都采用了插入排序大致思路为对于长数组采用基于分治的排序算法例如快速排序对于短数组直接使用插入排序。

@ -635,7 +635,7 @@ comments: true
归并排序在排序链表时具有显著优势,空间复杂度可以优化至 $O(1)$ ,原因如下:
- 由于链表仅需改变指针就可实现节点的增删操作,因此合并阶段(将两个短有序链表合并为一个长有序链表)无创建辅助链表。
- 由于链表仅需改变指针就可实现节点的增删操作,因此合并阶段(将两个短有序链表合并为一个长有序链表)无创建辅助链表。
- 通过使用“迭代划分”替代“递归划分”,可省去递归使用的栈帧空间。
具体实现细节比较复杂,有兴趣的同学可以查阅相关资料进行学习。

@ -12,7 +12,7 @@ comments: true
2. 选取区间 $[0, n-1]$ 中的最小元素,将其与索引 $0$ 处元素交换。完成后,数组前 1 个元素已排序。
3. 选取区间 $[1, n-1]$ 中的最小元素,将其与索引 $1$ 处元素交换。完成后,数组前 2 个元素已排序。
4. 以此类推。经过 $n - 1$ 轮选择与交换后,数组前 $n - 1$ 个元素已排序。
5. 仅剩的一个元素必定是最大元素,无排序,因此数组排序完成。
5. 仅剩的一个元素必定是最大元素,无排序,因此数组排序完成。
=== "<1>"
![选择排序步骤](selection_sort.assets/selection_sort_step1.png)

@ -16,7 +16,7 @@ comments: true
**运行效率**:我们期望排序算法的时间复杂度尽量低,且总体操作数量较少(即时间复杂度中的常数项降低)。对于大数据量情况,运行效率显得尤为重要。
**就地性**:顾名思义,「原地排序」通过在原数组上直接操作实现排序,无借助额外的辅助数组,从而节省内存。通常情况下,原地排序的数据搬运操作较少,运行速度也更快。
**就地性**:顾名思义,「原地排序」通过在原数组上直接操作实现排序,无借助额外的辅助数组,从而节省内存。通常情况下,原地排序的数据搬运操作较少,运行速度也更快。
**稳定性**:「稳定排序」在完成排序后,相等元素在数组中的相对顺序不发生改变。稳定排序是优良特性,也是多级排序场景的必要条件。

@ -1082,7 +1082,7 @@ comments: true
<p align="center"> 图:基于数组实现栈的入栈出栈操作 </p>
由于入栈的元素可能会源源不断地增加,因此我们可以使用动态数组,这样就无自行处理数组扩容问题。以下为示例代码。
由于入栈的元素可能会源源不断地增加,因此我们可以使用动态数组,这样就无自行处理数组扩容问题。以下为示例代码。
=== "Java"

@ -1139,7 +1139,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1173,7 +1173,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1203,7 +1203,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
# 先右旋后左旋
node.right = self.__right_rotate(node.right)
return self.__left_rotate(node)
# 平衡树,无旋转,直接返回
# 平衡树,无旋转,直接返回
return node
```
@ -1237,7 +1237,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return t.leftRotate(node)
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node
}
```
@ -1271,7 +1271,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return this.#leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1305,7 +1305,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return this.leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1339,7 +1339,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1373,7 +1373,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1407,7 +1407,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return leftRotate(node: node)
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node
}
```
@ -1441,7 +1441,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return self.leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1475,7 +1475,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
return leftRotate(node);
}
}
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
return node;
}
```
@ -1513,7 +1513,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
Self::left_rotate(Some(node))
}
} else {
// 平衡树,无旋转,直接返回
// 平衡树,无旋转,直接返回
node
}
}

@ -1478,7 +1478,7 @@ comments: true
我们知道,二叉树的中序遍历遵循“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”的遍历顺序,而二叉搜索树满足“左子节点 $<$ 根节点 $<$ 右子节点”的大小关系。因此,在二叉搜索树中进行中序遍历时,总是会优先遍历下一个最小节点,从而得出一个重要性质:**二叉搜索树的中序遍历序列是升序的**。
利用中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无额外排序,非常高效。
利用中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无额外排序,非常高效。
![二叉搜索树的中序遍历序列](binary_search_tree.assets/bst_inorder_traversal.png)

Loading…
Cancel
Save