一、衡量代码好坏的两个指标
1.运行时间
2.占用空间
二、什么是时间复杂度
1、基本操作执行次数
关于代码的基本操作执行次数,我们用四个生活中的场景来做一下比喻:
场景1. 给小灰一条长10寸的面包,小灰每3天吃掉1寸,那么吃掉整个面包需要几天?
答案自然是 3 X 10 = 30天。
如果面包的长度是 N 寸呢?
此时吃掉整个面包,需要 3 X n = 3n 天。
如果用一个函数来表达这个相对时间,可以记作 T(n) = 3n。
场景2. 给小灰一条长16寸的面包,小灰每5天吃掉面包剩余长度的一半,第一次吃掉8寸,第二次吃掉4寸,第三次吃掉2寸……那么小灰把面包吃得只剩下1寸,需要多少天呢?
这个问题翻译一下,就是数字16不断地除以2,除几次以后的结果等于1?这里要涉及到数学当中的对数,以2位底,16的对数,可以简写为log16。
因此,把面包吃得只剩下1寸,需要 5 X log16 = 5 X 4 = 20 天。
如果面包的长度是 N 寸呢?
需要 5 X logn = 5logn天,记作 T(n) = 5logn。
场景3. 给小灰一条长10寸的面包和一个鸡腿,小灰每2天吃掉一个鸡腿。那么小灰吃掉整个鸡腿需要多少天呢?
答案自然是2天。因为只说是吃掉鸡腿,和10寸的面包没有关系 。
如果面包的长度是 N 寸呢?
无论面包有多长,吃掉鸡腿的时间仍然是2天,记作 T(n) = 2
场景4. 给小灰一条长10寸的面包,小灰吃掉第一个一寸需要1天时间,吃掉第二个一寸需要2天时间,吃掉第三个一寸需要3天时间…..每多吃一寸,所花的时间也多一天。那么小灰吃掉整个面包需要多少天呢?
答案是从1累加到10的总和,也就是55天。
如果面包的长度是 N 寸呢?
此时吃掉整个面包,需要 1+2+3+……+ n-1 + n = (1+n)*n/2 = 0.5n^2 + 0.5n。
记作 T(n) = 0.5n^2 + 0.5n。
场景1, T(n) = 3n,执行次数是线性的。
场景2, T(n) = 5logn,执行次数是对数的。
场景3,T(n) = 2,执行次数是常量的。
场景4,T(n) = 0.5n^2 + 0.5n,执行次数是一个多项式。
2、渐进时间复杂度
有了基本操作执行次数的函数 T(n),是否就可以分析和比较一段代码的运行时间了呢?还是有一定的困难。
比如算法A的相对时间是T(n)= 100n,算法B的相对时间是T(n)= 5n^2,这两个到底谁的运行时间更长一些?这就要看n的取值了。
所以,这时候有了渐进时间复杂度(asymptotic time complectiy)的概念,官方的定义如下:
若存在函数 f(n),使得当n趋近于无穷大时,T(n)/ f(n)的极限值为不等于零的常数,则称 f(n)是T(n)的同数量级函数。
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。
渐进时间复杂度用大写O来表示,所以也被称为大O表示法。
如何推导出时间复杂度呢?有如下几个原则:
如果运行时间是常数量级,用常数1表示。
只保留时间函数中的最高阶项
如果最高阶项存在,则省去最高阶项前面的系数。
让我们回头看看刚才的四个场景。
场景1:
T(n) = 3n
最高阶项为3n,省去系数3,转化的时间复杂度为:
T(n) = O(n)
场景2:
T(n) = 5logn
最高阶项为5logn,省去系数5,转化的时间复杂度为:
T(n) = O(logn)
场景3:
T(n) = 2
只有常数量级,转化的时间复杂度为:
T(n) = O(1)
场景4:
T(n) = 0.5n^2 + 0.5n
最高阶项为0.5n^2,省去系数0.5,转化的时间复杂度为:
T(n) = O(n^2)
这四种时间复杂度究竟谁用时更长,谁节省时间呢?稍微思考一下就可以得出结论:
O(1)< O(logn)< O(n)< O(n^2)
在编程的世界中有着各种各样的算法,除了上述的四个场景,还有许多不同形式的时间复杂度,比如:
O(nlogn), O(n^3), O(m*n),O(2^n),O(n!)
今后遨游在代码的海洋里,我们会陆续遇到上述时间复杂度的算法。