时间空间复杂度入门

简介: 本文介绍算法复杂度基础,重点讲解时间与空间复杂度的估算方法。使用Big O表示法,强调只需关注最高阶项,忽略常数与低阶项。通过多个代码示例,说明如何根据循环结构和内存申请情况分析复杂度,并指出常见简化估算的适用场景与局限性。

对于初学者,你只需要记住以下几点:

1、时空复杂度用 Big O 表示法表示(类似O(1), O(n²), O(logn) 等)。它们都是估计值,不需要精确计算,且仅保留最高增长项

比方说 O(2n²+3n+1)等同于 O(n²)O(n²),O(1000n+1000) 等同于 O(n)O(n)。

2、我们分析算法的复杂度时,一般分析的是最坏情况的复杂度。它们都是越小越好。比方说时间复杂度 O(n)的算法比 O(n²)的算法执行效率高,空间复杂度 O(1)的算法比 O(n)的算法内存消耗小。

当然,一般我们要说明这个 n 代表什么,比如 n 代表输入的数组的长度。

4、如何估算?现在你可以简单理解:时间复杂度大部分情况下就是看 for 循环的最大嵌套层数;空间复杂度就看算法申请了多少空间来存储数据

注意

以上的分析方法中,有些细节并不严谨:

1、按照 for 循环的嵌套层数来估算时间复杂度是简化的方法,其实不完全准确。

2、大部分时候我们是分析最坏情况下的复杂度,但是对于数据结构 API 的复杂度衡量,我们会分析平均复杂度。

举几个例子来说比较直观。

时间/空间复杂度案例分析

示例一,时间复杂度 O(n),空间复杂度 O(1)

// 输入一个整数数组,返回所有元素的和
int getSum(int[] nums) {
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        sum += nums[i];
    }
    return sum;
}

算法包含一个 for 循环遍历 nums 数组,所以时间复杂度是 O(n),其中 n 代表 nums 数组的长度。我们的算法只使用了一个 sum 变量,这个 nums 是题目给的输入,不算在我们算法的空间复杂度里面,所以空间复杂度是 O(1)。

示例二,时间复杂度 O(n),空间复杂度 O(1)

// 当 n 是 10 的倍数时,计算累加和,否则返回 -1
int sum(int n) {
    if (n % 10 != 0) {
        return -1;
    }
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i <= n; i++) {
        sum += i;
    }
    return sum;
}

其实只有当 n 是 10 的倍数时,算法才会执行 for 循环,时间复杂度是 O(n)。其他情况下算法会直接返回,时间复杂度是 O(1)。但是算法复杂度只考察最坏情况,所以这个算法的时间复杂度是 O(n),空间复杂度是 O(1)。

示例三,时间复杂度 O(n²),空间复杂度 O(1)

// 数组是否存在两个数,它们的和为 target?
boolean hasTargetSum(int[] nums, int target) {
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        for (int j = i + 1; j < nums.length; j++) {
            if (nums[i] + nums[j] == target) {
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

算法包含两个 for 循环嵌套,所以时间复杂度是 O(n²),其中 n 代表 nums 数组的长度。

我们的算法只使用了 i, j 两个变量,这是常数级别的空间消耗,所以空间复杂度是 O(1)。

你也许会说,内层的 for 循环并没有遍历整个数组,且有可能提前 return,算法实际执行的次数应该是小于 n²的,时间复杂度还是 O(n²)吗?

是的,还是 O(n²)。前面说了 Big O 表示法是估计值,不需要精确计算。具体到不同的输入,算法的实际执行次数确实会小于 n²,但我们不需要关心。

简单说就是:看到嵌套 for 循环,时间复杂度就是 O(n²)
示例四,时间复杂度 O(n),空间复杂度 O(n)

void exampleFn(int n) {
    int[] nums = new int[n];
}

这个函数中创建了一个大小为 n 的数组,所以空间复杂度是 O(n)

申请数组空间及初始化数组也需要时间,所以时间复杂度也是 O(n)

时间复杂度并不仅仅体现在你看得到的 for 循环,每一行代码都可能有隐藏的时间复杂度。所以说要了解常见数据结构的实现原理,这是准确分析时间复杂度的基础。

示例五,时间复杂度 O(n),空间复杂度 O(n)

// 输入一个整数数组,返回一个新的数组,新数组的每个元素是原数组对应元素的平方
int[] squareArray(int[] nums) {
    int[] res = new int[nums.length];
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        res[i] = nums[i] * nums[i];
    }
    return res;
}

算法初始化 res 数组需要 O(n)的时间复杂度,包含一个 for 循环,时间复杂度也是 O(n),总的时间复杂度是还是 O(n)其中 n 代表 nums 数组的长度。

我们声明了一个新的数组 res,这个数组的长度和 nums 数组一样,所以空间复杂度是 O(n)

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