Java基础-时间复杂度计算方式

2024年1月2日 442次阅读来源: 尹正杰

　　　　　　　　　　　　　Java基础-时间复杂度计算方式

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作者：尹正杰

　　时间复杂度通常是衡量算法的优劣的，衡量算法的时间严格来讲是很难衡量的，由于不同的机器性能不用环境都会造成不同的执行时间。

一.什么是时间复杂度

1>.什么是时间频度

　　算法的执行时间和语句的执行次数成正比，因此通过计算执行测试来推断执行时间。算法中语句执行次数称为语句频度或时间频度，记为T(n)，n是问题的规模，T是Time。

2>.什么是时间复杂度

　　当时间频度的n不断变化时，T(n)也在不断变化，为了考察两者变化时呈现什么规律，可以使用时间复杂度来计算。通常操作重复执行的次数是问题规模n的某个函数，用T(n)表示，若有某个辅助函数f(n),存在一个正常数c使得f(n) * c >= T(n)恒成立。记作T(n)=O(f(n)),称O(f(n)) 为算法的渐进时间复杂度，简称时间复杂度。换句话说，只要计算一下语句的执行次数和n之间的关就可以了，去除系数部分，低阶项部分，就是时间复杂度的值了。

　　举个例子，在公式：“xxx = 3N^3 + 2n^2 + 5n”中，其中“2n^2”和“5n”相对于“3N^3 ”来说，属于低阶项部分，我们将其去除，在看“3N^3″中，”3“为系数部分，我们将其也去除，因此只剩下“N^3 ”啦！这个时候我们就说“xxx”的时间复杂度为“O(n^3)”。

二.时间复杂度的计算

1>.给定任意长度数组，读取数组第一个元素的值

　　时间复杂度为：无论数组长度n为多少，代码执行一次。因此，时间复杂度为O(1)。实现代码如下：

 1 /*
 2 @author :yinzhengjie
 3 Blog:http://www.cnblogs.com/yinzhengjie/tag/Java%E5%9F%BA%E7%A1%80/
 4 EMAIL:y1053419035@qq.com
 5 */
 6 package cn.org.yinzhengjie.java.timeComplexity;
 7 
 8 public class Demo {
 9     public static void main(String[] args) {
10         String[] names = {"尹正杰","yinzhengjie","YinZhengJie"};
11         String firstElement = getFirstElement(names);
12         System.out.println(firstElement);
13     }
14 
15     public static String getFirstElement(String[] names){
16         //无论数组的长度n为多少，代码只执行一次。
17         return names[0];
18     }
19 }
20 
21 /*
22 以上代码输出结果如下：
23 尹正杰
24  */

2>.循环n次，输出“尹正杰（yinzhengjie）”

　　随着n的增大，打印函数逐渐增多。打印代码执行的次数是n，因此时间复杂度为O(n)。

 1 /*
 2 @author :yinzhengjie
 3 Blog:http://www.cnblogs.com/yinzhengjie/tag/Java%E5%9F%BA%E7%A1%80/
 4 EMAIL:y1053419035@qq.com
 5 */
 6 package cn.org.yinzhengjie.java.timeComplexity;
 7 
 8 public class Demo {
 9     public static void main(String[] args) {
10         String[] names = {"尹正杰","yinzhengjie","YinZhengJie"};
11         printArray(5);
12     }
13 
14     public static void printArray(int n){
15         for(int i = 0 ; i < n ; i ++){
16             //执行一次。
17             System.out.println("尹正杰(yinzhengjie)") ;
18         }
19     }
20 }
21 
22 /*
23 以上代码输出结果如下：
24 尹正杰(yinzhengjie)
25 尹正杰(yinzhengjie)
26 尹正杰(yinzhengjie)
27 尹正杰(yinzhengjie)
28 尹正杰(yinzhengjie)
29  */

3>.打印99乘法表

　　打印99正方乘法表，打印语句输出9 * 9 = 81次。打印语句执行次数：n * n = n^2，因此时间复杂度是O(n^2)。

 1 /*
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 3 Blog:http://www.cnblogs.com/yinzhengjie/tag/Java%E5%9F%BA%E7%A1%80/
 4 EMAIL:y1053419035@qq.com
 5 */
 6 package cn.org.yinzhengjie.java.timeComplexity;
 7 
 8 public class Demo {
 9     public static void main(String[] args) {
10         printArray(9);
11     }
12 
13     public static void printArray(int n){
14         for(int i = 1 ; i <= n ; i ++){
15             for(int j = 1 ; j <= i ; j ++){
16                 //打印语句的执行次数n * n次。
17                 System.out.printf("%d x %d = %d\t",j,i,(j*i));
18             }
19             System.out.println();
20         }
21     }
22 }
23 
24 /*
25 以上代码输出结果如下：
26 1 x 1 = 1    
27 1 x 2 = 2    2 x 2 = 4    
28 1 x 3 = 3    2 x 3 = 6    3 x 3 = 9    
29 1 x 4 = 4    2 x 4 = 8    3 x 4 = 12    4 x 4 = 16    
30 1 x 5 = 5    2 x 5 = 10    3 x 5 = 15    4 x 5 = 20    5 x 5 = 25    
31 1 x 6 = 6    2 x 6 = 12    3 x 6 = 18    4 x 6 = 24    5 x 6 = 30    6 x 6 = 36    
32 1 x 7 = 7    2 x 7 = 14    3 x 7 = 21    4 x 7 = 28    5 x 7 = 35    6 x 7 = 42    7 x 7 = 49    
33 1 x 8 = 8    2 x 8 = 16    3 x 8 = 24    4 x 8 = 32    5 x 8 = 40    6 x 8 = 48    7 x 8 = 56    8 x 8 = 64    
34 1 x 9 = 9    2 x 9 = 18    3 x 9 = 27    4 x 9 = 36    5 x 9 = 45    6 x 9 = 54    7 x 9 = 63    8 x 9 = 72    9 x 9 = 81    
35  */

4>.冒泡排序

　　冒泡排序是经典的排序算法是每次比较相邻的两个元素进行对调，进行多轮，知道数列有序。对于n个元素的冒泡排序来说，共需要比较比较次数的公式如下：

《Java基础-时间复杂度计算方式》

　　因此时间复杂度为：O(n^2)，这是冒泡排序最坏的情况下的时间复杂度。具体实现代码如下：

 1 /*
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 5 */
 6 package cn.org.yinzhengjie.java.timeComplexity;
 7 
 8 public class Demo {
 9     public static void main(String[] args) {
10         char[] arr = {'i','f','c','b','d','g','e','a','h'};
11         printArray(arr);
12         bubbleSort(arr);
13         printArray(arr);
14     }
15     //进行冒泡排序
16     public static void bubbleSort(char[] arr){
17         //外层比较n-1次
18         for(int i = 0 ; i < arr.length - 1 ; i ++){
19             //比较n-1-i次
20             for(int j = 0 ; j < arr.length -1 - i ; j ++){
21                 char temp = arr[j] ;
22                 if(arr[j] > arr[j + 1]){
23                     arr[j] = arr[j + 1] ;
24                     arr[j + 1] = temp ;
25                 }
26             }
27         }
28     }
29     //遍历数组
30     public static void printArray(char[] arr){
31         for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
32             char c = arr[i];
33             System.out.print(c+" ");
34         }
35         System.out.println();
36     }
37 
38 }
39 
40 /*
41 以上代码输出结果如下：
42 i f c b d g e a h
43 a b c d e f g h i 
44  */

　　冒泡排序可以进行优化，在最好的情况下，复杂度为O(n)，具体代码如下：

 1 /*
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 4 EMAIL:y1053419035@qq.com
 5 */
 6 package cn.org.yinzhengjie.java.timeComplexity;
 7 
 8 public class Demo {
 9     public static void main(String[] args) {
10         char[] arr = {'i','f','c','b','d','g','e','a','h'};
11         printArray(arr);
12         bubbleSort(arr);
13         printArray(arr);
14     }
15     //进行冒泡排序
16     public static void bubbleSort(char[] arr){
17         //外层比较n-1次
18         for(int i = 0 ; i < arr.length - 1 ; i ++){
19             boolean flag = true ;
20             //比较n-1-i次
21             for(int j = 0 ; j < arr.length -1 - i ; j ++){
22                 char temp = arr[j] ;
23                 if(arr[j] > arr[j + 1]){
24                     //发生交换，就设置标志位为false，即数列无序。
25                     flag = false ;
26                     arr[j] = arr[j + 1] ;
27                     arr[j + 1] = temp ;
28                 }
29             }
30             //判断如果是数列有序，则终止循环。
31             if(flag){
32                 break ;
33             }
34         }
35     }
36     //遍历数组
37     public static void printArray(char[] arr){
38         for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
39             char c = arr[i];
40             System.out.print(c+" ");
41         }
42         System.out.println();
43     }
44 
45 }
46 
47 /*
48 以上代码输出结果如下：
49 i f c b d g e a h
50 a b c d e f g h i
51  */

　　设置标志位flag=1，表示整个数列已经有序，就不需要再排序了，在里层循环中，如果发现没有进行过数据交换，就所说数列已经有序。在最好情况下，就是数列本身已经有序，只需要执行外层的n-1次循环即可，因此复杂度为O(n)。

5>.折半查找

　　折半查找也叫二分查找，是高效的查找方式，前提条件是数列需要时有序数列。实现代码如下：

 1 /*
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 3 Blog:http://www.cnblogs.com/yinzhengjie/tag/Java%E5%9F%BA%E7%A1%80/
 4 EMAIL:y1053419035@qq.com
 5 */
 6 package cn.org.yinzhengjie.java.timeComplexity;
 7 
 8 public class Demo {
 9     public static void main(String[] args) {
10         char[] arr = {'a','b','c','d','e','f','g'};
11         int tag = 'n';
12         int res = halfSearch(arr, tag);
13         System.out.println(res);
14         tag = 'd';
15         int res2 = halfSearch(arr, tag);
16         System.out.println(res2);
17 
18     }
19     //进行冒泡排序
20     public static int halfSearch(char[] arr, int tag){
21         int min = arr[0] ;
22         int max = arr[0] ;
23         int mid = arr[arr.length/2] ;
24         for( min = 0 , max = arr.length - 1 ; min <= max  ; ){
25              mid = (min + max) / 2 ;
26             //命中了
27             if(arr[mid] == tag){
28                 return mid ;
29             }
30             //落在右侧范围
31             else if(arr[mid] < tag){
32                 min = mid + 1 ;
33             }
34             //落在左侧范围
35             else{
36                 max = mid - 1 ;
37             }
38         }
39         return -1;
40     }
41 }
42 
43 /*
44 以上代码输出结果如下：
45 -1
46 3
47  */

　　折半查找的最好的时间复杂度为n（1），就是第一次折半时就恰好找到我们想要的值，当然，最坏时间复杂度为：以2为底，n的对数。即””

6>.hashmap

　　哈希map是java中最重要的集合之一，设计非常巧妙，使用通过数组+链表方式组合实现，哈希的目的是让对象在空间内尽可能分散。那么HashMap的时间复杂度是多少呢？

　　　　如果hashmap的每个桶内的元素个数最多不会超过一个常数C，当增加元素时，不断增加桶的数量，而保证每个桶内的元素量固定，因此就可以保证最快的查询速度，则时间复杂度就是O(C*n^2)，去掉系数部分就是O(n^0) = O(1)；

　　　　如果在最坏的情况下就是所有元素进入同一个桶，导致给桶内的链条非常长，则检索数据时，时间复杂度为：O(n)；

7>.矩阵的乘积

矩阵我们按照阶数为n的两个方阵进行计算，矩阵的乘法运算法则为：

《Java基础-时间复杂度计算方式》

例如：

《Java基础-时间复杂度计算方式》

方阵乘法的代码如下：

 1 /*
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 4 EMAIL:y1053419035@qq.com
 5 */
 6 package cn.org.yinzhengjie.java.timeComplexity;
 7 
 8 public class Demo {
 9     public static void main(String[] args) {
10         int[][] a = {
11                 {0,1},
12                 {1,1}
13         } ;
14         int[][] b = {
15                 {1,2},
16                 {3,4}
17         } ;
18 
19         mulmatrix(a,b);
20 
21     }
22     /**
23      * 两个n阶方阵的乘积
24      * @param a
25      * @param b
26      * @return
27      */
28     public static void mulmatrix(int[][] a , int[][] b){
29         int n = a.length ;
30         int[][] r = new int[n][n] ;
31         //
32         for(int i = 0 ; i < n ; i ++){
33             for (int j = 0; j < n; j++) {
34                 for (int k = 0; k < n; k++) {
35                     r[i][j] = r[i][j] + (a[i][k] * b[k][j] ) ;
36                 }
37             }
38         }
39 
40         for(int i = 0 ; i < n ; i ++){
41             for (int j = 0; j < n; j++) {
42                 System.out.print(r[i][j] + "\t");
43             }
44             System.out.println();
45         }
46     }
47 }
48 
49 /*
50 以上代码输出结果如下：
51 3    4    
52 4    6
53  */

　　方阵的矩阵乘法的计算次数为，因此时间复杂度为O(n^3)。

    原文作者：尹正杰
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