「算法」几分钟时间让你彻底学会—时间复杂度

2022-08-27 15:30·C语言编程

算法在编写成可执行程序的时候，main函数使用这个算法，需要调用一定的空间，消耗一定的时间。算法的效率就是通过空间和时间这两个维度来评判的

时间复杂度：衡量一个算法的运行速度

空间复杂度：衡量一个算法运行需要开辟的额外空间

那么我们今天先来看看时间复杂度！

时间复杂度

算法的时间复杂度是一个函数，它定量描述了该算法的运行时间。算法中基本操作的执行次数，为算法的时间复杂度

时间复杂度是一个近似值，并不是实际运行的时间

实际上代码的运行时间，和机器的内存、cpu性能和平台都有关系，同一个代码在不同的机器上运行时间都不一样，如果只以纯粹的时间来考核，很难分析

找到某条基本语句与问题规模N之间的数学表达式，就算出了该算法的时间复杂度

void Test(int N)
{
    int count =0;
    for(int i=0;i<N;i++)
    {
        for(int j=0;j<N;j++)
        {
            count++;
        }
    }
    
    for (int k = 0; k < 2 * N ; ++ k)
    {
        count++;
    }
    
    int M = 10;
    while (M--)
    {
        count++;
    }
    
    return;
}

请问这个代码中，count语句执行了几次？

F ( N ) = N 2 + 2 ∗ N + 10 F(N)=N^2+2*N+10 F(N)=N2+2∗N+10

N = 10 F(N) = 130

N = 100 F(N) = 10210

N = 1000 F(N) = 1002010

你可能会简单地认为，F(N)的结果就是我们的时间复杂度。其实并不然，我们并不需要一个精确的运行次数，只需要知道程序运行次数的量级就行了

这里我们使用​大O渐进表示法​​来表示时间复杂度（空间复杂度同理）


2.1大O的渐进表示法

大O符号（Big O notation）：是用于描述函数渐进行为的数学符号

推导大O阶方法：

（1）用常数1取代运行时间中的所有加法常数。

（2）在修改后的运行次数函数中，只保留最高阶项。

（3）如果最高阶项存在且不是1，则去除与这个项目相乘的常数。得到的结果就是大O阶

使用这种方法后，test1函数的时间复杂度为

O ( N 2 ) O(N^2) O(N2)

对于test1函数，在计算的时候，我们省略了最后的+10，保留了最高阶数N2，即得出了它的时间复杂度

如果最高阶数前面有系数，如2N，系数也将被省略

因为当N的数值很大的时候，后面的那些值对我们总运行次数的影响已经非常小了。大O的渐进表示法去掉了那些对结果影响不大的项，简洁明了的表示出了执行次数


2.2多种情况取最坏

一些算法的时间复杂度会有最好、最坏和平均的情况

最好情况：任意输入规模的最小运行次数(下界)

平均情况：期望的运行次数

最坏情况：任意输入规模的最大运行次数(上界)

举个例子，当我们编写一个在数组中查找数值的算法时，它可能会出现这几种情况：

最好情况：1次就找到

平均情况：N/2次

最坏情况：N次

在实际中的一般情况，我们关注的是算法的最坏运行情况，所以数组中搜索数据时间复杂度为​​O(N)​​


2.3常见时间复杂度的计算

NO.1

void Func1(int N)
{
     int count = 0;
     for (int k = 0; k < 2 * N ; ++ k)
     {
      ++count;
     }
     int M = 10;
     while (M--)
     {
      ++count;
     }
  printf("%d\n", count);
}

这里出现了两个循环，分别是2N次和10次。前面提到了大O渐进法只保留最高阶数并省略系数，所以它的时间复杂度是​​O(N)​​


NO.2

void Func2(int N, int M)
{
     int count = 0;
     for (int k = 0; k < M; ++ k)
     {
      ++count;
     }
     for (int k = 0; k < N ; ++ k)
     {
      ++count;
     }
     printf("%d\n", count);
}

这里出现了次数为N和M的两层循环：

当M和N差不多大的时候，时间复杂度可以理解为​​O(M)或O(N)​​

当M远远大于N时，时间复杂度为​​O(M)​​

一般情况取O(M+N)


NO.3 常数阶

void Func3(int N)
{
     int count = 0;
     for (int k = 0; k < 100; ++ k)
     {
      ++count;
     }
     printf("%d\n", count);
}

这里我们得知了具体的循环次数为100，是一常数，时间复杂度为​​O(1)​​，代表常数阶

只要循环次数已知，为一常数且和所传参数无关，其时间复杂度即为O(1)


NO.4 strchr

//计算strchr的时间复杂度
const char * strchr ( const char * str, int character );

看到这道题的时候，你可能会一愣，strchr是什么？

可这里面没有strchr，但有strstr

strstr函数的作用：在字符串1中寻找是否有字符串2

其中第二个str代表的是​​string字符串​​​，那我们是不是可以猜想，chr代表的是​​char字符​​，其作用是在一个字符串中查找是否有一个字符呢？

当然，光是猜想肯定是不够的，我们还需要求证一下

打开​ ​cplusplus网站​​，搜索strchr，即可转到函数定义

可以看到，该函数的作用是定位字符串中第一次出现该字符的位置，返回值是一个​​pointer指针​​

和我们猜想的一样，它的作用就是在字符串中查找一个字符，并返回它第一次出现的位置的地址。

这样一来，strchr函数的时间复杂度就很清楚了，就是遍历字符串所需要的次数，O(N)


NO.5 冒泡排序

void BubbleSort(int* a, int n)
{
     assert(a);
     for (size_t end = n; end > 0; --end)
     {
         int exchange = 0;
         for (size_t i = 1; i < end; ++i)
         {
          if (a[i-1] > a[i])
          {
                Swap(&a[i-1], &a[i]);
                exchange = 1;
          }
       }
     if (exchange == 0)
       break;
     }
}​

​ ​冒泡排序​​是一个非常经典的代码，其思路就是遍历整个数组，如果待排序数字大于它的下一位，则交换这两个数字

N个数字的数组需要N-1次排序才能完成

每一次排序都需要遍历一次数组

这样算来，冒泡排序的循环次数就是两个N，即为O(N2)

能否通过循环层级判断？

细心的你可能会发现，上述代码中出现了两层循环，那是不是可以通过循环层级来判断时间复杂度呢？

并不能！

for(int i=0;i<n;i++)
{
  for(int j=0;j<3;j++)
    printf("hehe\n");
}

如果是上述这种两次循环的情况，会打印3n次呵呵，其时间复杂度是​​O(N)​​而不是N2

我们要准确分析算法的思路，并不能简单地通过循环层级来判断时间复杂度


NO.6 二分查找

int BinarySearch(int* a, int n, int x){     assert(a);     int begin = 0;     int end = n-1;     while (begin < end)     {         int mid = begin + ((end-begin)>>1);//使用位移操作符来模拟/2，防止begin和end相加后超出int范围         if (a[mid] < x)          begin = mid+1;         else if (a[mid] > x)           end = mid;         else           return mid;     }     return -1;}​

二分查找的思路这里不再赘述

假设我们找了x次，每一次查找都会使查找范围减半

N/2/2/2/2 ……

最后我们可以得出2条公式

2 x = N 2^x=N 2x=N

x = l o g 2 N x=log_2N x=log2N

最好情况：O(1)

最坏情况：O(logN)

通过时间复杂度的对比，我们就能看出二分查找的优势在那里了

可以看到，当数据很大的时候，O(logN)的算法执行次数比O(N)少了特别多!!（来自BT-7274的肯定）

NO.7 计算N!

// 计算阶乘递归Fac的时间复杂度？
long long Fac(size_t N)
{
     if(0 == N)
      return 1;

     return Fac(N-1)*N;
}

对于这个阶乘的递归函数而言，每次函数调用是​​O(1)​​，时间复杂度主要看递归次数

对于数字N而言，递归需要N次，时间复杂度是​​O(N)​​

递归算法时间复杂度计算

如果每次函数调用是O(1)，看递归次数

每次函数调用不是O(1)，那么就看他递归调用中次数的累加


NO.8 斐波那契数列

// 计算斐波那契递归Fib的时间复杂度？
long long Fib(size_t N)
{
     if(N < 3)
      return 1;

     return Fib(N-1) + Fib(N-2);
}

每次递归，次数都会增加，总的来说是以2^x的量级增加的（x代表行数）

1 + 2 + 4 + 8 + … … + 2 X − 2 1+2+4+8+……+2^{X-2} 1+2+4+8+……+2X−2

这里一共有x-1项，用等比数列的求和公式得出，结果为2x-1

所以最后得出的时间复杂度为O(2N)

需要注意的是，当递归调用到底部时，有一些调用会较早退出，这部分位于金字塔的右下角

由于时间复杂度只是一个估算值，这一部分缺失的调用次数对总运行次数的影响不大，故忽略掉


NO.9

void fun(int n) 
{
   int i=l;
   while(i<=n)
      i=i*2;
}

此函数有一个循环，但是循环没有被执行n次，i每次都是2倍进行递增，所以循环只会被执行log2n次


NO.10

给定一个整数sum，从有N个有序元素的数组中寻找元素a，b，使得a+b的结果最接近sum，最快的平均时间复杂度是？

A. O(n)//√
B. O(n^2)
C. O(nlogn)
D. O(logn)

数组元素有序，所以a,b两个数可以分别从开始和结尾处开始搜，根据首尾元素的和是否大于sum,决定搜索的移动，整个数组被搜索一遍，就可以得到结果，所以最好时间复杂度为n

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51CTO丨作者：慕雪年华

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