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@ -7,14 +7,10 @@ comments: true
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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?
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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。
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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。
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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。
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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。
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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 。
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$$
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1 + 1 + 10 + (1 + 5) \times n = 6n + 12
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$$
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例如在以下代码中,输入数据大小为 $n$ :
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=== "Java"
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@ -185,28 +181,34 @@ $$
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}
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```
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但实际上,**统计算法的运行时间既不合理也不现实**。首先,我们不希望预估时间和运行平台绑定,因为算法需要在各种不同的平台上运行。其次,我们很难获知每种操作的运行时间,这给预估过程带来了极大的难度。
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根据以上方法,可以得到算法运行时间为 $6n + 12$ ns :
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$$
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1 + 1 + 10 + (1 + 5) \times n = 6n + 12
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$$
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|
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。
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## 2.2.1 统计时间增长趋势
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「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**。
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“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` 。
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“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` 和 `C` :
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=== "Java"
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```java title=""
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// 算法 A 时间复杂度:常数阶
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// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
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void algorithm_A(int n) {
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System.out.println(0);
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}
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// 算法 B 时间复杂度:线性阶
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// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
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|
void algorithm_B(int n) {
|
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|
for (int i = 0; i < n; i++) {
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System.out.println(0);
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}
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|
}
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|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
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// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
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|
void algorithm_C(int n) {
|
|
|
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|
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
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|
System.out.println(0);
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@ -217,17 +219,17 @@ $$
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=== "C++"
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|
```cpp title=""
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// 算法 A 时间复杂度:常数阶
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// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
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|
void algorithm_A(int n) {
|
|
|
|
|
cout << 0 << endl;
|
|
|
|
|
}
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|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
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|
|
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|
// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
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|
void algorithm_B(int n) {
|
|
|
|
|
for (int i = 0; i < n; i++) {
|
|
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|
cout << 0 << endl;
|
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|
}
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|
|
|
|
}
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|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
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// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
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|
void algorithm_C(int n) {
|
|
|
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|
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
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|
|
cout << 0 << endl;
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|
@ -238,14 +240,14 @@ $$
|
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|
=== "Python"
|
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|
```python title=""
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# 算法 A 时间复杂度:常数阶
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# 算法 A 的时间复杂度:常数阶
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|
def algorithm_A(n: int):
|
|
|
|
|
print(0)
|
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|
# 算法 B 时间复杂度:线性阶
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|
|
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|
# 算法 B 的时间复杂度:线性阶
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|
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|
|
def algorithm_B(n: int):
|
|
|
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|
for _ in range(n):
|
|
|
|
|
print(0)
|
|
|
|
|
# 算法 C 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
# 算法 C 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
def algorithm_C(n: int):
|
|
|
|
|
for _ in range(1000000):
|
|
|
|
|
print(0)
|
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|
@ -254,17 +256,17 @@ $$
|
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|
=== "Go"
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|
|
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|
|
|
|
```go title=""
|
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// 算法 A 时间复杂度:常数阶
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|
// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
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|
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|
func algorithm_A(n int) {
|
|
|
|
|
fmt.Println(0)
|
|
|
|
|
}
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|
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|
|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
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|
|
|
|
// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
func algorithm_B(n int) {
|
|
|
|
|
for i := 0; i < n; i++ {
|
|
|
|
|
fmt.Println(0)
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
}
|
|
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|
|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
|
|
|
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|
// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
|
|
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|
func algorithm_C(n int) {
|
|
|
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|
for i := 0; i < 1000000; i++ {
|
|
|
|
|
fmt.Println(0)
|
|
|
|
@ -275,17 +277,17 @@ $$
|
|
|
|
|
=== "JS"
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
```javascript title=""
|
|
|
|
|
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
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|
// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
|
|
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|
function algorithm_A(n) {
|
|
|
|
|
console.log(0);
|
|
|
|
|
}
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|
|
|
|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
function algorithm_B(n) {
|
|
|
|
|
for (let i = 0; i < n; i++) {
|
|
|
|
|
console.log(0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
}
|
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|
|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
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// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
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|
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|
function algorithm_C(n) {
|
|
|
|
|
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
|
|
|
|
|
console.log(0);
|
|
|
|
@ -297,17 +299,17 @@ $$
|
|
|
|
|
=== "TS"
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
```typescript title=""
|
|
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|
|
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
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|
// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
|
|
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|
function algorithm_A(n: number): void {
|
|
|
|
|
console.log(0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
function algorithm_B(n: number): void {
|
|
|
|
|
for (let i = 0; i < n; i++) {
|
|
|
|
|
console.log(0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
}
|
|
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|
|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
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|
|
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|
// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
|
|
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|
|
function algorithm_C(n: number): void {
|
|
|
|
|
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
|
|
|
|
|
console.log(0);
|
|
|
|
@ -318,17 +320,17 @@ $$
|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
```c title=""
|
|
|
|
|
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
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|
|
|
|
// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
void algorithm_A(int n) {
|
|
|
|
|
printf("%d", 0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
void algorithm_B(int n) {
|
|
|
|
|
for (int i = 0; i < n; i++) {
|
|
|
|
|
printf("%d", 0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
void algorithm_C(int n) {
|
|
|
|
|
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
|
|
|
|
|
printf("%d", 0);
|
|
|
|
@ -339,17 +341,17 @@ $$
|
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
```csharp title=""
|
|
|
|
|
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
// 算法 A 的时间复杂度: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 的时间复杂度: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 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
void algorithm_C(int n) {
|
|
|
|
|
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
|
|
|
|
|
Console.WriteLine(0);
|
|
|
|
@ -360,19 +362,19 @@ $$
|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
```swift title=""
|
|
|
|
|
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
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|
func algorithmA(n: Int) {
|
|
|
|
|
print(0)
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
func algorithmB(n: Int) {
|
|
|
|
|
for _ in 0 ..< n {
|
|
|
|
|
print(0)
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
func algorithmC(n: Int) {
|
|
|
|
|
for _ in 0 ..< 1000000 {
|
|
|
|
|
print(0)
|
|
|
|
@ -389,17 +391,17 @@ $$
|
|
|
|
|
=== "Dart"
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
```dart title=""
|
|
|
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|
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
|
|
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|
void algorithmA(int n) {
|
|
|
|
|
print(0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
// 算法 B 的时间复杂度: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 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
void algorithmC(int n) {
|
|
|
|
|
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
|
|
|
|
|
print(0);
|
|
|
|
@ -410,17 +412,17 @@ $$
|
|
|
|
|
=== "Rust"
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
```rust title=""
|
|
|
|
|
// 算法 A 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
// 算法 A 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
fn algorithm_A(n: i32) {
|
|
|
|
|
println!("{}", 0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
// 算法 B 时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
// 算法 B 的时间复杂度:线性阶
|
|
|
|
|
fn algorithm_B(n: i32) {
|
|
|
|
|
for _ in 0..n {
|
|
|
|
|
println!("{}", 0);
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
// 算法 C 时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
// 算法 C 的时间复杂度:常数阶
|
|
|
|
|
fn algorithm_C(n: i32) {
|
|
|
|
|
for _ in 0..1000000 {
|
|
|
|
|
println!("{}", 0);
|
|
|
|
@ -434,21 +436,19 @@ $$
|
|
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|
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」。
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|
|
![算法 A, B, C 的时间增长趋势](time_complexity.assets/time_complexity_simple_example.png)
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|
![算法 A 、B 和 C 的时间增长趋势](time_complexity.assets/time_complexity_simple_example.png)
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|
<p align="center"> 图:算法 A, B, C 的时间增长趋势 </p>
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<p align="center"> 图:算法 A 、B 和 C 的时间增长趋势 </p>
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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?
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**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。
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|
**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。
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**时间复杂度也存在一定的局限性**。例如,尽管算法 `A` 和 `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。
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- **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。
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|
- **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。
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|
- **时间复杂度也存在一定的局限性**。例如,尽管算法 `A` 和 `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。
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## 2.2.2 函数渐近上界
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给定一个函数 `algorithm()` :
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给定一个输入大小为 $n$ 的函数:
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=== "Java"
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@ -609,15 +609,15 @@ $$
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}
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```
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设算法的计算操作数量是一个关于输入数据大小 $n$ 的函数,记为 $T(n)$ ,则以上函数的的操作数量为:
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设算法的操作数量是一个关于输入数据大小 $n$ 的函数,记为 $T(n)$ ,则以上函数的的操作数量为:
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$$
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T(n) = 3 + 2n
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$$
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$T(n)$ 是一次函数,说明时间的增长趋势是线性的,因此其时间复杂度是线性阶。
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$T(n)$ 是一次函数,说明其运行时间的增长趋势是线性的,因此它的时间复杂度是线性阶。
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我们将线性阶的时间复杂度记为 $O(n)$ ,这个数学符号称为「大 $O$ 记号 Big-$O$ Notation」,表示函数 $T(n)$ 的「渐近上界 Asymptotic Upper Bound」。
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我们将线性阶的时间复杂度记为 $O(n)$ ,这个数学符号称为「大 $O$ 记号 big-$O$ notation」,表示函数 $T(n)$ 的「渐近上界 asymptotic upper bound」。
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时间复杂度分析本质上是计算“操作数量函数 $T(n)$”的渐近上界。接下来,我们来看函数渐近上界的数学定义。
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@ -632,27 +632,27 @@ $T(n)$ 是一次函数,说明时间的增长趋势是线性的,因此其时
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T(n) = O(f(n))
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$$
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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。
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![函数的渐近上界](time_complexity.assets/asymptotic_upper_bound.png)
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<p align="center"> 图:函数的渐近上界 </p>
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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。
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## 2.2.3 推算方法
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渐近上界的数学味儿有点重,如果你感觉没有完全理解,也无需担心。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。
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渐近上界的数学味儿有点重,如果你感觉没有完全理解,也无须担心。因为在实际使用中,我们只需要掌握推算方法,数学意义就可以逐渐领悟。
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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。
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### 1. 第一步:统计操作数量
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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:
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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。
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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。
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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。
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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.` 和 `2.` 技巧。
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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 $O(n^2)$ 。
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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 $O(n^2)$ 。
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$$
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\begin{aligned}
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@ -880,7 +880,8 @@ $$
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**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。
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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。
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<p align="center"> 表:多项式时间复杂度示例 </p>
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<p align="center"> 表:不同操作数量对应的时间复杂度 </p>
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<div class="center-table" markdown>
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@ -905,19 +906,19 @@ O(1) < O(\log n) < O(n) < O(n \log n) < O(n^2) < O(2^n) < O(n!) \newline
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\end{aligned}
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$$
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![时间复杂度的常见类型](time_complexity.assets/time_complexity_common_types.png)
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![常见的时间复杂度类型](time_complexity.assets/time_complexity_common_types.png)
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<p align="center"> 图:时间复杂度的常见类型 </p>
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<p align="center"> 图:常见的时间复杂度类型 </p>
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!!! tip
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部分示例代码需要一些预备知识,包括数组、递归等。如果你遇到不理解的部分,可以在学习完后面章节后再回顾。现阶段,请先专注于理解时间复杂度的含义和推算方法。
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|
部分示例代码需要一些预备知识,包括数组、递归等。如果你遇到不理解的部分,可以在学完后面章节后再回顾。现阶段,请先专注于理解时间复杂度的含义和推算方法。
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### 1. 常数阶 $O(1)$
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常数阶的操作数量与输入数据大小 $n$ 无关,即不随着 $n$ 的变化而变化。
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对于以下算法,尽管操作数量 `size` 可能很大,但由于其与数据大小 $n$ 无关,因此时间复杂度仍为 $O(1)$ 。
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对于以下算法,尽管操作数量 `size` 可能很大,但由于其与输入数据大小 $n$ 无关,因此时间复杂度仍为 $O(1)$ :
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=== "Java"
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@ -1084,7 +1085,7 @@ $$
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### 2. 线性阶 $O(n)$
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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。
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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:
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=== "Java"
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@ -1234,7 +1235,7 @@ $$
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}
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```
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遍历数组和遍历链表等操作的时间复杂度均为 $O(n)$ ,其中 $n$ 为数组或链表的长度。
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遍历数组和遍历链表等操作的时间复杂度均为 $O(n)$ ,其中 $n$ 为数组或链表的长度:
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=== "Java"
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@ -1402,11 +1403,11 @@ $$
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```
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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。
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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。
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### 3. 平方阶 $O(n^2)$
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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 $O(n^2)$ 。
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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 $O(n^2)$ :
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=== "Java"
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@ -1599,11 +1600,13 @@ $$
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```
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![常数阶、线性阶、平方阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_constant_linear_quadratic.png)
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下图对比了常数阶、线性阶和平方阶三种时间复杂度。
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<p align="center"> 图:常数阶、线性阶、平方阶的时间复杂度 </p>
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![常数阶、线性阶和平方阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_constant_linear_quadratic.png)
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以「冒泡排序」为例,外层循环执行 $n - 1$ 次,内层循环执行 $n-1, n-2, \cdots, 2, 1$ 次,平均为 $\frac{n}{2}$ 次,因此时间复杂度为 $O(n^2)$ 。
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<p align="center"> 图:常数阶、线性阶和平方阶的时间复杂度 </p>
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以冒泡排序为例,外层循环执行 $n - 1$ 次,内层循环执行 $n-1, n-2, \cdots, 2, 1$ 次,平均为 $\frac{n}{2}$ 次,因此时间复杂度为 $O(n^2)$ :
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$$
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O((n - 1) \frac{n}{2}) = O(n^2)
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@ -1883,9 +1886,7 @@ $$
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### 4. 指数阶 $O(2^n)$
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生物学的“细胞分裂”是指数阶增长的典型例子:初始状态为 $1$ 个细胞,分裂一轮后变为 $2$ 个,分裂两轮后变为 $4$ 个,以此类推,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。
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以下代码模拟了细胞分裂的过程。
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生物学的“细胞分裂”是指数阶增长的典型例子:初始状态为 $1$ 个细胞,分裂一轮后变为 $2$ 个,分裂两轮后变为 $4$ 个,以此类推,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。相关代码如下:
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=== "Java"
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@ -2109,11 +2110,13 @@ $$
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```
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下图展示了细胞分裂的过程。
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![指数阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_exponential.png)
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<p align="center"> 图:指数阶的时间复杂度 </p>
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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。
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在实际算法中,指数阶常出现于递归函数中。例如以下代码,其递归地一分为二,经过 $n$ 次分裂后停止:
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=== "Java"
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@ -2248,7 +2251,7 @@ $$
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### 5. 对数阶 $O(\log n)$
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与指数阶相反,对数阶反映了“每轮缩减到一半”的情况。设输入数据大小为 $n$ ,由于每轮缩减到一半,因此循环次数是 $\log_2 n$ ,即 $2^n$ 的反函数。
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|
与指数阶相反,对数阶反映了“每轮缩减到一半”的情况。设输入数据大小为 $n$ ,由于每轮缩减到一半,因此循环次数是 $\log_2 n$ ,即 $2^n$ 的反函数。相关代码如下:
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=== "Java"
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@ -2423,7 +2426,7 @@ $$
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<p align="center"> 图:对数阶的时间复杂度 </p>
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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。
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与指数阶类似,对数阶也常出现于递归函数中。以下代码形成了一个高度为 $\log_2 n$ 的递归树:
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=== "Java"
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@ -2554,13 +2557,11 @@ $$
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}
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```
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对数阶常出现于基于「分治」的算法中,体现了“一分为多”和“化繁为简”的算法思想。它增长缓慢,是理想的时间复杂度,仅次于常数阶。
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对数阶常出现于基于分治策略的算法中,体现了“一分为多”和“化繁为简”的算法思想。它增长缓慢,是理想的时间复杂度,仅次于常数阶。
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### 6. 线性对数阶 $O(n \log n)$
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线性对数阶常出现于嵌套循环中,两层循环的时间复杂度分别为 $O(\log n)$ 和 $O(n)$ 。
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主流排序算法的时间复杂度通常为 $O(n \log n)$ ,例如快速排序、归并排序、堆排序等。
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线性对数阶常出现于嵌套循环中,两层循环的时间复杂度分别为 $O(\log n)$ 和 $O(n)$ 。相关代码如下:
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=== "Java"
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@ -2748,6 +2749,8 @@ $$
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<p align="center"> 图:线性对数阶的时间复杂度 </p>
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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。
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### 7. 阶乘阶 $O(n!)$
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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:
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@ -2756,7 +2759,7 @@ $$
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n! = n \times (n - 1) \times (n - 2) \times \cdots \times 2 \times 1
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$$
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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。
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阶乘通常使用递归实现。例如在以下代码中,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:
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=== "Java"
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@ -2950,16 +2953,16 @@ $$
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<p align="center"> 图:阶乘阶的时间复杂度 </p>
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请注意,因为 $n! > 2^n$ ,所以阶乘阶比指数阶增长地更快,在 $n$ 较大时也是不可接受的。
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请注意,因为 $n! > 2^n$ ,所以阶乘阶比指数阶增长得更快,在 $n$ 较大时也是不可接受的。
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## 2.2.5 最差、最佳、平均时间复杂度
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**算法的时间效率往往不是固定的,而是与输入数据的分布有关**。假设输入一个长度为 $n$ 的数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,但元素顺序是随机打乱的,任务目标是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论:
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**算法的时间效率往往不是固定的,而是与输入数据的分布有关**。假设输入一个长度为 $n$ 的数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,每个数字只出现一次,但元素顺序是随机打乱的,任务目标是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论。
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- 当 `nums = [?, ?, ..., 1]` ,即当末尾元素是 $1$ 时,需要完整遍历数组,**达到最差时间复杂度 $O(n)$** 。
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- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个数字为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,**达到最佳时间复杂度 $\Omega(1)$** 。
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- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个元素为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,**达到最佳时间复杂度 $\Omega(1)$** 。
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「最差时间复杂度」对应函数渐近上界,使用大 $O$ 记号表示。相应地,「最佳时间复杂度」对应函数渐近下界,用 $\Omega$ 记号表示。
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「最差时间复杂度」对应函数渐近上界,使用大 $O$ 记号表示。相应地,「最佳时间复杂度」对应函数渐近下界,用 $\Omega$ 记号表示:
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=== "Java"
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@ -3315,10 +3318,10 @@ $$
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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。
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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则是数组长度的一半 $\frac{n}{2}$ ,平均时间复杂度为 $\Theta(\frac{n}{2}) = \Theta(n)$ 。
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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就是数组长度的一半 $\frac{n}{2}$ ,平均时间复杂度为 $\Theta(\frac{n}{2}) = \Theta(n)$ 。
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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。
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!!! question "为什么很少看到 $\Theta$ 符号?"
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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 $\Theta(n)$ 。
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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 $\Theta(n)$ 。
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