【数据结构与算法】时间复杂度和空间复杂度例题

时间复杂度

常数阶时间O(1)

• 代码在执行的时候，它消耗的时间并不随着某个变量的增长而增长，那么无论这类代码有多长，都可以用O(1)来表示它的时间复杂度
• 我们知道常数项对函数的增长速度影响不大，所以当T(n)=C,C为一个常数的时候，我们说这个算法的时间复杂度为O(1);如果T(n)不等于一个常数项时，直接将常数项省略。

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

对数阶时间O(logN)

• 在while循环里面，每次都将i乘以2，乘完之后，i距离n就越来越近了。我们试着求解一下，假设循环x次之后，i就大于n了，此时这个循环就退出了，也就是说2的x次方等于n,那么x=n

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

线性阶时间O(n)

• 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
• 如果T(n)不等于一个常数项时，直接将常数项省略。因为函数的阶数对函数的增长速度的影响是最显著的，所以我们忽略与最高阶相乘的常数.
• 我们知道高次项对于函数的增长速度的影响是最大的，同时因为要求的精度不高，所以我们直接忽略低次项。或者说：如果复杂度是多个n的函数之和，则只关心随n的增长而增长得最快的那个函数。

int aFunc(int n){for(int i=0;i<n;i++){             //n+1次printf("Hello,World!\n");     //n次}return 0;                         //1次
}

这个代码需要(n+1+n+1)=2n+2次运算，时间复杂度为O(n)

线性对数阶时间O(nlogN)

• 将时间复杂度为O(logN)的代码循环n遍的话，那么它的时间复杂度就是n*O(logN),也就是O(nlogN)

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

平方阶时间O(n*n)

• 如果把O(n)的代码再嵌套循环一遍，它的时间复杂度就是O()
• 如果将其中一层循环的n改成m那它的时间复杂度就变成O(m*n)

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

【例1】N×N矩阵相乘

for(i=1;i<=n;i++)                          //n+1for(j=1;j<=n;j++){                     //n*(n+1)c[i][j]=0;                         //n*nfor(k=1;k<=n;k++)                  //n*n*(n+1)c[i][j]=c[i][j]+a[i][k]*b[k][j];//T(n)=O(n*n*n)}

• 用级数求和的方式去算

  

【例2】

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

【例3】分析以下程序的时间复杂度

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

关键是要找出来执行次数x与n的关系，并完成n的函数。

• 若循环执行1次：i=1*2=2
• 若循环执行2次：i=2*2=2^2
• 若循环执行3次：i=2^2*2=23,……
• 若循环执行x次：i=2^x

设语句i=i*2执行次数为x次，由循环条件i<=n,所以2^x<=n，所以x<=log以2为底n

即f(n)<=log以2为底n，取最大值f(n)=log以2为底n

空间复杂度

常量空间O(1)

• 如果算法执行所需要的临时空间不随着某个变量n的大小而变化，即此算法空间复杂度为一个常量，可表示为O(1)

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

线性空间O(n)

• 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)

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

【例】将一维数组a中的n个数逆序存放到原数组中。

【算法1】交换数组a中每一个位置的值
for(i=0;i<n/2;i++){t=a[i];         //创建辅助空间t,变量t与n是多少没有关系.S(n)=O(1)a[i]=a[n-i-1];a[n-i-1]=t;
}
【算法2】将a中所有元素依次倒着放入b数组
for(i=0;i<n;i++)b[i]=a[n-i-1]; //创建辅助数组b，b的大小和数组a的大小一样，S(n)=O(n)
for(i=0;i<n;i++)a[i]=b[i];

二维空间O(n*n)

当算法分配的空间是一个二维数组集合，并且集合的长度和宽度都与输入规模n成正比时，空间复杂度记作O()

int[][] matrix=new int[n][n];//O(n^2)
int[][] matrix=new int[m][n];//O(mn)

递归空间

正如下面代码一样，递归代码中没有显示声明变量或者集合，但是计算机在执行程序时，会专门分配一块内存，用来存储“方法调用栈”。

void fun4(int n){if(n<=1){return;}fun4(n-1);...
}

方法调用栈包括入栈和出栈两个操作：

当进入一个新方法时，执行入栈操作，把调用的方法和参数信息压入栈中

当方法返回时，执行出栈操作，把调用的方法和参数信息从栈中弹出

还是上述代码，假设现在传入参数5，那么方法fun4(5)的调用信息先入栈：

method fun4

n 5

接下来递归调用相同的方法，方法fun4(4)的调用信息入栈：

method fun4

n 4

method fun4

n 5

以此类推，递归越来越深，栈内的元素也越来越多，最终：

method fun4

n 1

method fun4

n 2

method fun4

n 3

method fun4

n 4

method fun4

n 5

当n=1的时候，触发递归的结束条件，执行return,方法出栈。最终所有入栈的元素都会出栈。

由上面“方法调用栈”的出入栈过程可以看出，执行递归操作所需要的内存空间和递归的深度成正比。纯粹的递归操作的空间复杂度也是线性的，如果递归的深度是n，那么空间复杂度就是O(n).