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introduction, computational complexity.
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@@ -1,24 +1,24 @@
# 空间复杂度
「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”。
「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”。
## 算法相关空间
算法运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种
算法运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种
- **输入空间**:用于存储算法的输入数据。
- **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。
- **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。
- **输出空间**:用于存储算法的输出数据。
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”。
暂存空间可以进一步划分为三个部分
暂存空间可以进一步划分为三个部分
- **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。
- **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。
- **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。
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**。
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**。
![算法使用的相关空间](space_complexity.assets/space_types.png)
@@ -288,7 +288,7 @@
## 推算方法
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”。
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”。
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。
@@ -426,7 +426,7 @@
```
**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如以下代码:
**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如以下代码
- 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 $O(1)$ 。
- 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。
@@ -652,7 +652,7 @@
## 常见类型
设输入数据大小为 $n$ ,常见的空间复杂度类型(从低到高排列)
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)
$$
\begin{aligned}
@@ -661,17 +661,17 @@ O(1) < O(\log n) < O(n) < O(n^2) < O(2^n) \newline
\end{aligned}
$$
![空间复杂度的常见类型](space_complexity.assets/space_complexity_common_types.png)
![常见的空间复杂度类型](space_complexity.assets/space_complexity_common_types.png)
!!! tip
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。
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。
### 常数阶 $O(1)$
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。
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 $O(1)$
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 $O(1)$
=== "Java"
@@ -771,7 +771,7 @@ $$
### 线性阶 $O(n)$
线性阶常见于元素数量与 $n$ 成正比的数组、链表、栈、队列等
线性阶常见于元素数量与 $n$ 成正比的数组、链表、栈、队列等
=== "Java"
@@ -847,7 +847,7 @@ $$
[class]{}-[func]{linear}
```
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
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
=== "Java"
@@ -925,7 +925,7 @@ $$
### 平方阶 $O(n^2)$
平方阶常见于矩阵和图,元素数量与 $n$ 成平方关系
平方阶常见于矩阵和图,元素数量与 $n$ 成平方关系
=== "Java"
@@ -1077,7 +1077,7 @@ $$
### 指数阶 $O(2^n)$
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
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
=== "Java"
@@ -1157,9 +1157,9 @@ $$
对数阶常见于分治算法和数据类型转换等。
例如归并排序算法,输入长度为 $n$ 的数组,每轮递归将数组从中点划分为两半,形成高度为 $\log n$ 的递归树,使用 $O(\log n)$ 栈帧空间。
例如归并排序算法,输入长度为 $n$ 的数组,每轮递归将数组从中点划分为两半,形成高度为 $\log n$ 的递归树,使用 $O(\log n)$ 栈帧空间。
再例如数字转化为字符串,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n) = O(\log n)$ 。
再例如数字转化为字符串,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n + 1$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n + 1$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n + 1) = O(\log n)$ 。
## 权衡时间与空间
@@ -1167,4 +1167,4 @@ $$
**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”。
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。
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。