数据结构:算法复杂度

一、大O记法(O)

1.大O记法的定义

用于描述算法复杂度的数学符号,表示算法执行次数(时间复杂度)/额外开辟的空间(空间复杂度)随输入规模(n)增长的上界(最坏情况)。

简单描述就是输入规模为n时,算法最多可能执行多少次、最多会额外开辟多少空间。

2.大O记法的种类

  • 常见的有O(1)(常数个),O(n),O(n2),O(logn),O(nlogn)等。
  • 一般来说,当算法复杂度达到n2 这个量级的时候,效率已经不高了。如果一个算法的复杂度达到n3这个量级,说明其效率极低,不宜使用,如果达到(2n)这种指数爆炸型的复杂度,那基本可以淘汰了(递归求斐波那契)。
  • 在实现算法时,我们尽量降低时间复杂度,可以适当牺牲空间复杂度。

3.大O记法的原则

  • 只保留最高次项:我们计算算法复杂度的时候,需要关注的是"规模"而非"准确值"。就像一个A是亿万富翁,B是百万富翁,他们就不是一个量级的,A只需要告诉B"我有一个亿"就够了,如果A说"我有一亿一千一百万零三十二块五毛钱",反而多此一举。
  • 忽略最高项系数:同上,我们只需要关注"规模",管你有一百万两百万三百万,都是百万富翁,在亿万富翁面前没有什么区别。
  • 取最坏情况:当满足一定情况的时候,一个时间复杂度为O(n)的算法可能1次就运行结束,难道它的时间复杂度会变成O(1)吗?并不是,因为我们关注的是最坏情况,某次情况的运行次数不会影响算法复杂度。
  • 嵌套循环取乘积:当一个算法复杂度为O(n)的算法中嵌套了一个算法复杂度为O(m)的算法,那么整体算法的复杂度就是O(m*n)。
  • 并列循环取最大:若算法中包含一个复杂度较高的分算法【O(x)】,还有一个复杂度较低的分算法【O(y)】,则总算法的复杂度取O(x),即较高的那个。

二、时间复杂度

1.时间复杂度的定义

  • 时间复杂度用来描述算法执行时间的量级,由于每台设备的硬件不同,运行时间也有差距,所以时间复杂度实际描述的是算法执行的次数。

2.时间复杂度计算的常见情况

  • 如果算法中只有顺序语句,那么算法的时间复杂度为O(1)。
  • 若有一个循环次数为n的循环,则循环运行n次,其他语句的时间复杂度为O(1),可以忽略不记,算法复杂度为O(n)。
  • 若有两个循环次数为n的循环并列,则两个循环共2n次,2n与n没区别,就像一百万和两百万都是百万富翁,所以时间复杂度还是O(n)。
  • 若有一个循环次数为n的循环中间嵌套了一个循环次数为n的循环,则一共循环n2次,时间复杂度为O(n2)。
  • 若有暴力枚举子集求和、递归求斐波那契的问题,则时间复杂度为O(2n)。
  • 具体情况具体分析,核心是计算算法运行次数与问题规模n之间的关系。

三、空间复杂度

1.空间复杂度的定义

空间复杂度用来描述算法在过程中额外所需的存储空间(不包括输入数据本身)的量级,用以反映算法对内存资源的占用情况。

2.空间复杂度计算的常见情况

  • 算法仅使用固定数量的临时变量,与问题规模n无关时,空间复杂度为O(1)。
  • 需开辟与n成正比的临时空间,如拷贝数组、简单动态规划(一维dp数组)时,算法的空间复杂度为O(n)。
  • 当出现如分治运算、递归二分查找、递归归并排序时,算法空间复杂度为O(logn)。
  • 当出现如二维动态规划、邻接矩阵存储图时,算法的空间复杂度为O(n2)。
  • 具体情况具体分析,核心是计算算法额外开辟空间与问题规模之间的关系。
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