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introduction, computational complexity.
This commit is contained in:
@@ -1,24 +1,24 @@
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# 空间复杂度
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「空间复杂度 Space Complexity」用于衡量算法占用内存空间随着数据量变大时的增长趋势。这个概念与时间复杂度非常类似,只需将“运行时间”替换为“占用内存空间”。
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「空间复杂度 space complexity」用于衡量算法占用内存空间随着数据量变大时的增长趋势。这个概念与时间复杂度非常类似,只需将“运行时间”替换为“占用内存空间”。
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## 算法相关空间
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算法运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种:
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算法在运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种。
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- **输入空间**:用于存储算法的输入数据。
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- **暂存空间**:用于存储算法运行过程中的变量、对象、函数上下文等数据。
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- **暂存空间**:用于存储算法在运行过程中的变量、对象、函数上下文等数据。
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- **输出空间**:用于存储算法的输出数据。
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一般情况下,空间复杂度的统计范围是“暂存空间”加上“输出空间”。
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暂存空间可以进一步划分为三个部分:
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暂存空间可以进一步划分为三个部分。
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- **暂存数据**:用于保存算法运行过程中的各种常量、变量、对象等。
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- **栈帧空间**:用于保存调用函数的上下文数据。系统在每次调用函数时都会在栈顶部创建一个栈帧,函数返回后,栈帧空间会被释放。
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- **指令空间**:用于保存编译后的程序指令,在实际统计中通常忽略不计。
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因此在分析一段程序的空间复杂度时,**我们通常统计暂存数据、输出数据、栈帧空间三部分**。
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在分析一段程序的空间复杂度时,**我们通常统计暂存数据、栈帧空间和输出数据三部分**。
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@@ -288,7 +288,7 @@
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## 推算方法
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空间复杂度的推算方法与时间复杂度大致相同,只需将统计对象从“计算操作数量”转为“使用空间大小”。
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空间复杂度的推算方法与时间复杂度大致相同,只需将统计对象从“操作数量”转为“使用空间大小”。
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而与时间复杂度不同的是,**我们通常只关注「最差空间复杂度」**。这是因为内存空间是一项硬性要求,我们必须确保在所有输入数据下都有足够的内存空间预留。
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@@ -426,7 +426,7 @@
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```
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**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如以下代码:
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**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如在以下代码中:
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- 函数 `loop()` 在循环中调用了 $n$ 次 `function()` ,每轮中的 `function()` 都返回并释放了栈帧空间,因此空间复杂度仍为 $O(1)$ 。
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- 递归函数 `recur()` 在运行过程中会同时存在 $n$ 个未返回的 `recur()` ,从而占用 $O(n)$ 的栈帧空间。
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@@ -652,7 +652,7 @@
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## 常见类型
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设输入数据大小为 $n$ ,常见的空间复杂度类型有(从低到高排列):
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设输入数据大小为 $n$ ,下图展示了常见的空间复杂度类型(从低到高排列)。
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$$
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\begin{aligned}
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@@ -661,17 +661,17 @@ O(1) < O(\log n) < O(n) < O(n^2) < O(2^n) \newline
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\end{aligned}
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$$
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!!! tip
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部分示例代码需要一些前置知识,包括数组、链表、二叉树、递归算法等。如果你遇到看不懂的地方,可以在学习完后面章节后再来复习。
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部分示例代码需要一些前置知识,包括数组、链表、二叉树、递归算法等。如果你遇到看不懂的地方,可以在学完后面章节后再来复习。
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### 常数阶 $O(1)$
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常数阶常见于数量与输入数据大小 $n$ 无关的常量、变量、对象。
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需要注意的是,在循环中初始化变量或调用函数而占用的内存,在进入下一循环后就会被释放,即不会累积占用空间,空间复杂度仍为 $O(1)$ 。
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需要注意的是,在循环中初始化变量或调用函数而占用的内存,在进入下一循环后就会被释放,即不会累积占用空间,空间复杂度仍为 $O(1)$ :
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=== "Java"
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@@ -771,7 +771,7 @@ $$
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### 线性阶 $O(n)$
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线性阶常见于元素数量与 $n$ 成正比的数组、链表、栈、队列等。
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线性阶常见于元素数量与 $n$ 成正比的数组、链表、栈、队列等:
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=== "Java"
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@@ -847,7 +847,7 @@ $$
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[class]{}-[func]{linear}
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```
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以下递归函数会同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()` 函数,使用 $O(n)$ 大小的栈帧空间。
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以下递归函数会同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()` 函数,使用 $O(n)$ 大小的栈帧空间:
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=== "Java"
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@@ -925,7 +925,7 @@ $$
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### 平方阶 $O(n^2)$
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平方阶常见于矩阵和图,元素数量与 $n$ 成平方关系。
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平方阶常见于矩阵和图,元素数量与 $n$ 成平方关系:
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=== "Java"
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@@ -1077,7 +1077,7 @@ $$
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### 指数阶 $O(2^n)$
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指数阶常见于二叉树。高度为 $n$ 的「满二叉树」的节点数量为 $2^n - 1$ ,占用 $O(2^n)$ 空间。
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指数阶常见于二叉树。高度为 $n$ 的「满二叉树」的节点数量为 $2^n - 1$ ,占用 $O(2^n)$ 空间:
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=== "Java"
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@@ -1157,9 +1157,9 @@ $$
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对数阶常见于分治算法和数据类型转换等。
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例如“归并排序”算法,输入长度为 $n$ 的数组,每轮递归将数组从中点划分为两半,形成高度为 $\log n$ 的递归树,使用 $O(\log n)$ 栈帧空间。
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例如归并排序算法,输入长度为 $n$ 的数组,每轮递归将数组从中点划分为两半,形成高度为 $\log n$ 的递归树,使用 $O(\log n)$ 栈帧空间。
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再例如“数字转化为字符串”,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n) = O(\log n)$ 。
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再例如将数字转化为字符串,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n + 1$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n + 1$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n + 1) = O(\log n)$ 。
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## 权衡时间与空间
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@@ -1167,4 +1167,4 @@ $$
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**降低时间复杂度通常需要以提升空间复杂度为代价,反之亦然**。我们将牺牲内存空间来提升算法运行速度的思路称为“以空间换时间”;反之,则称为“以时间换空间”。
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选择哪种思路取决于我们更看重哪个方面。在大多数情况下,时间比空间更宝贵,因此以空间换时间通常是更常用的策略。当然,在数据量很大的情况下,控制空间复杂度也是非常重要的。
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选择哪种思路取决于我们更看重哪个方面。在大多数情况下,时间比空间更宝贵,因此“以空间换时间”通常是更常用的策略。当然,在数据量很大的情况下,控制空间复杂度也是非常重要的。
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