看动画轻松理解时间复杂度(一)

算法(Algorithm)是指用来操作数据、解决程序问题的一组方法。对于同一个问题,使用不同的算法,也许最终得到的结果是一样的,比如排序就有前面的十大经典排序和几种奇葩排序,虽然结果相同,但在过程中消耗的资源和时间却会有很大的区别,比如快速排序与猴子排序:)。

那么我们应该如何去衡量不同算法之间的优劣呢?

主要还是从算法所占用的「时间」和「空间」两个维度去考量。

时间维度:是指执行当前算法所消耗的时间,我们通常用「时间复杂度」来描述。

空间维度:是指执行当前算法需要占用多少内存空间,我们通常用「空间复杂度」来描述。

本小节将从「时间」的维度进行分析。

什么是大O

当看「时间」二字,我们肯定可以想到将该算法程序运行一篇,通过运行的时间很容易就知道复杂度了。

这种方式可以吗?当然可以,不过它也有很多弊端。

比如程序员小吴的老式电脑处理10w数据使用冒泡排序要几秒,但读者的iMac Pro 可能只需要0.1s,这样的结果误差就很大了。更何况,有的算法运行时间要很久,根本没办法没时间去完整的运行,还是比如猴子排序:)。

那有什么方法可以严谨的进行算法的时间复杂度分析呢?

有的!

「 远古 」的程序员大佬们提出了通用的方法:「 大O符号表示法 」,即 T(n) = O(f(n))

其中 n 表示数据规模 ,O(f(n))表示运行算法所需要执行的指令数,和f(n)成正比。

上面公式中用到的 Landau符号是由德国数论学家保罗·巴赫曼(Paul Bachmann)在其1892年的著作《解析数论》首先引入,由另一位德国数论学家艾德蒙·朗道(Edmund Landau)推广。Landau符号的作用在于用简单的函数来描述复杂函数行为,给出一个上或下(确)界。在计算算法复杂度时一般只用到大O符号,Landau符号体系中的小o符号、Θ符号等等比较不常用。这里的O,最初是用大写希腊字母,但现在都用大写英语字母O;小o符号也是用小写英语字母o,Θ符号则维持大写希腊字母Θ。

注:本文用到的算法中的界限指的是最低的上界。

常见的时间复杂度量级

我们先从常见的时间复杂度量级进行大O的理解

常数阶O(1)

线性阶O(n)

平方阶O(n²)

对数阶O(logn)

线性对数阶O(nlogn)

O(1)

无论代码执行了多少行,其他区域不会影响到操作,这个代码的时间复杂度都是O(1)

1void swapTwoInts(int &a, int &b){
2  int temp = a;
3  a = b;
4  b = temp;
5}
O(n)

在下面这段代码,for循环里面的代码会执行 n 遍,因此它消耗的时间是随着 n 的变化而变化的,因此可以用O(n)来表示它的时间复杂度。

1int sum int n ){
2   int ret = 0;
3   for ( int i = 0 ; i <= n ; i ++){
4      ret += i;
5   }
6   return ret;
7}

特别一提的是 c * O(n) 中的 c 可能小于 1 ,比如下面这段代码:

1void reverse string &s ) {
2    int n = s.size();
3    for (int i = 0 ; i < n/2 ; i++){
4      swap ( s[i] , s[n-1-i]);
5    }
6}
O(n²)


当存在双重循环的时候,即把 O(n) 的代码再嵌套循环一遍,它的时间复杂度就是 O(n²) 了。

 

1void selectionSort(int arr[],int n){
2   for(int i = 0; i < n ; i++){
3     int minIndex = i;
4     for (int j = i + 1; j < n ; j++ )
5       if (arr[j] < arr[minIndex])
6           minIndex = j;
7
8     swap ( arr[i], arr[minIndex]);
9   }
10}

这里简单的推导一下

当 i = 0 时,第二重循环需要运行 (n - 1) 次

当 i = 1 时,第二重循环需要运行 (n - 2) 次

。。。。。。

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