2-算法的时间复杂度与空间负责度 (3)

我们单独看 cal() 函数。假设 5-8行的 只是一个普通的操作,那第 4 行的时间复杂度就是,T1(n) = O(n)。但 5-8 函数本身不是一个简单的操作,它的时间复杂度是 T2(n) = O(n),所以,整个 cal() 函数的时间复杂度就是,$$T(n) = T1(n) * T2(n) = O(n*n) = O(n^2)$$。

几种常见时间复杂度实例

虽然代码千差万别,但是常见的复杂度量级并不多。老弟稍微总结了一下,这些复杂度量级几乎涵盖了今后可以接触的所有代码的复杂度量级。

划重点了同学们。

常量阶 $O(1)$

对数阶 $O(logn)$

线性阶 $O(n)$

线性对数阶 $O(nlogn)$

平方阶 O(n^2^)、立方阶 O(n^3^)…..k 次方阶 O(n^k^)

指数阶 O(2^n^)

阶乘阶 O(n!)

对于刚罗列的复杂度量级,我们可以粗略地分为两类,多项式量级非多项式量级。其中,非多项式量级只有两个:$$O(2^n) $$和 O(n!)。

当数据规模 n 越来越大时,非多项式量级算法的执行时间会急剧增加,求解问题的执行时间会无限增长。所以,非多项式时间复杂度的算法其实是非常低效的算法。因此,关于 NP 时间复杂度我就不展开讲了。

我们主要来看几种常见的多项式时间复杂度

1. O(1) 之一击必杀

首先我们必须明确一个概念,O(1) 只是常量级时间复杂度的一种表示方法,并不是指只执行了一行代码。比如这段代码,即便有 3 行,它的时间复杂度也是 O(1),而不是 O(3)。

int a = 1; int b = 2; int c = 3;

我们的 HashMap get()、put() 其实就是 O(1) 时间复杂度。

只要代码的执行时间不随 n 的增大而增长,这样代码的时间复杂度我们都记作 O(1)。或者说,一般情况下,只要算法中不存在循环语句、递归语句,即使有成千上万行的代码,其时间复杂度也是Ο(1)

2. O(logn)、O(nlogn)

对数阶时间复杂度非常常见,同时也是最难分析的一种时间复杂度。

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

根据我们前面讲的复杂度分析方法,第三行代码是循环执行次数最多的。所以,我们只要能计算出这行代码被执行了多少次,就能知道整段代码的时间复杂度。

从代码中可以看出,变量 i 的值从 1 开始取,每循环一次就乘以 2。当大于 n 时,循环结束。还记得我们高中学过的等比数列吗?实际上,变量 i 的取值就是一个等比数列。如果我把它一个一个列出来,就应该是这个样子的:

$$2^0 2^1 2^2 ……..2^x = n$$

所以,我们只要知道 x 值是多少,就知道这行代码执行的次数了。通过 2^x^=n 求解 x 这个问题我们想高中应该就学过了,我就不多说了。x=log~2~n,所以,这段代码的时间复杂度就是 O(log~2~n)。

我把代码稍微改下,这段代码的时间复杂度是多少?

i=1; while (i <= n) { i = i * 3; }

很简单就能看出来,这段代码的时间复杂度为 O(log~3~n)。

实际上,不管是以 2 为底、以 3 为底,还是以 10 为底,我们可以把所有对数阶的时间复杂度都记为 O(logn)。为什么呢?

我们知道,对数之间是可以互相转换的,log3n 就等于 log~3~2 * log~2~n,所以 O(log~3~n) = O(C * log~2~n),其中 C=log~3~2 是一个常量。基于我们前面的一个理论:在采用大 O 标记复杂度的时候,可以忽略系数,即 O(Cf(n)) = O(f(n))。所以,O(log~2~n) 就等于 O(log~3~n)。因此,在对数阶时间复杂度的表示方法里,我们忽略对数的“底”,统一表示为 O(logn)。

如果你理解了我前面讲的 O(logn),那 O(nlogn) 就很容易理解了。还记得我们刚讲的乘法法则吗?如果一段代码的时间复杂度是 O(logn),我们循环执行 n 遍,时间复杂度就是 O(nlogn) 了。而且,O(nlogn) 也是一种非常常见的算法时间复杂度。比如,归并排序、快速排序的时间复杂度都是 O(nlogn)。

如下所示就是$O(nlogN)$ , 内部 while循环是 O(logn) ,被外层 for 循环包起来。所以 就是 O(nlogn)

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

3. O(m+n)、O(m*n)

我们再来讲一种跟前面都不一样的时间复杂度,代码的复杂度由两个数据的规模来决定。

int cal(int m, int n) { int sum_1 = 0; int i = 1; for (; i < m; ++i) { sum_1 = sum_1 + i; } int sum_2 = 0; int j = 1; for (; j < n; ++j) { sum_2 = sum_2 + j; } return sum_1 + sum_2; }

从代码中可以看出,m 和 n 是表示两个数据规模。我们无法事先评估 m 和 n 谁的量级大,所以我们在表示复杂度的时候,就不能简单地利用加法法则,省略掉其中一个。所以,上面代码的时间复杂度就是 O(m+n)。

针对这种情况,原来的加法法则就不正确了,我们需要将加法规则改为:T1(m) + T2(n) = O(f(m) + g(n))。但是乘法法则继续有效:T1(m)T2(n) = O(f(m) f(n))。

4.线性阶O(n)

看这段代码会执行多少次呢?

for(i=1; i<=n; i++) { j = i; j++; }

第1行会执行 n 次,第2行和第3行会分别执行n次,总的执行时间也就是 3n + 1 次,那它的时间复杂度表示是 O(3n + 1) 吗? No !

还是那句话:“大O符号表示法并不是用于来真实代表算法的执行时间的,它是用来表示代码执行时间的增长变化趋势的”

所以它的时间复杂度其实是O(n);

平方阶O(n²)

for(x=1; i <= n; x++){ for(i = 1; i <= n; i++) { j = i; j++; } }

把 O(n) 的代码再嵌套循环一遍,它的时间复杂度就是 O(n²) 了。

立方阶O(n³)、K次方阶O(n^k^)

参考上面的O(n²) 去理解就好了,O(n³)相当于三层n循环,其它的类似。

空复杂度分析

理解了前面讲的内容,空间复杂度分析方法学起来就非常简单了。

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