数据结构和算法-复杂度

参考：

https://www.cnblogs.com/chenjinxinlove/p/10038919.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/50479555

https://blog.csdn.net/zolalad/article/details/11848739

https://www.cnblogs.com/zang1998/p/11552931.html

https://blog.csdn.net/weixin_41725746/article/details/93081477

 

 

 

 

 

 

算法的时间与空间复杂度

算法（Algorithm）是指用来操作数据、解决程序问题的一组方法。对于同一个问题，使用不同的算法，也许最终得到的结果是一样的，但在过程中消耗的资源和时间却会有很大的区别。

那么我们应该如何去衡量不同算法之间的优劣呢？

主要还是从算法所占用的「时间」和「空间」两个维度去考量。

• 时间维度：是指执行当前算法所消耗的时间，我们通常用「时间复杂度」来描述。
• 空间维度：是指执行当前算法需要占用多少内存空间，我们通常用「空间复杂度」来描述。

因此，评价一个算法的效率主要是看它的时间复杂度和空间复杂度情况。然而，有的时候时间和空间却又是「鱼和熊掌」，不可兼得的，那么我们就需要从中去取一个平衡点。

下面我来分别介绍一下「时间复杂度」和「空间复杂度」的计算方式。

一、时间复杂度

我们想要知道一个算法的「时间复杂度」，很多人首先想到的的方法就是把这个算法程序运行一遍，那么它所消耗的时间就自然而然知道了。

这种方式可以吗？当然可以，不过它也有很多弊端。
这种方式非常容易受运行环境的影响，在性能高的机器上跑出来的结果与在性能低的机器上跑的结果相差会很大。而且对测试时使用的数据规模也有很大关系。再者，并我们在写算法的时候，还没有办法完整的去运行呢。

因此，另一种更为通用的方法就出来了：「 大O符号表示法 」，即 T(n) = O(f(n))

我们先来看个例子：

for(i=1; i<=n; ++i)
{
   j = i;
   j++;
}

通过「 大O符号表示法 」，这段代码的时间复杂度为：O(n) ，为什么呢?

在 大O符号表示法中，时间复杂度的公式是： T(n) = O( f(n) )，其中f(n) 表示每行代码执行次数之和，而 O 表示正比例关系，这个公式的全称是：算法的渐进时间复杂度。

我们继续看上面的例子，假设每行代码的执行时间都是一样的，我们用 1颗粒时间 来表示，那么这个例子的第一行耗时是1个颗粒时间，第三行的执行时间是 n个颗粒时间，第四行的执行时间也是 n个颗粒时间（第二行和第五行是符号，暂时忽略），那么总时间就是 1颗粒时间 + n颗粒时间 + n颗粒时间 ，即 (1+2n)个颗粒时间，即： T(n) = (1+2n)*颗粒时间，从这个结果可以看出，这个算法的耗时是随着n的变化而变化，因此，我们可以简化的将这个算法的时间复杂度表示为：T(n) = O(n)

为什么可以这么去简化呢，因为大O符号表示法并不是用于来真实代表算法的执行时间的，它是用来表示代码执行时间的增长变化趋势的。

所以上面的例子中，如果n无限大的时候，T(n) = time(1+2n)中的常量1就没有意义了，倍数2也意义不大。因此直接简化为T(n) = O(n) 就可以了。

常见的时间复杂度量级有：

• 常数阶O(1)
• 对数阶O(logN)
• 线性阶O(n)
• 线性对数阶O(nlogN)
• 平方阶O(n²)
• 立方阶O(n³)
• K次方阶O(n^k)
• 指数阶(2^n)

上面从上至下依次的时间复杂度越来越大，执行的效率越来越低。

下面选取一些较为常用的来讲解一下（没有严格按照顺序）：

1. 常数阶O(1)

无论代码执行了多少行，只要是没有循环等复杂结构，那这个代码的时间复杂度就都是O(1)，如：

int i = 1;
int j = 2;
++i;
j++;
int m = i + j;

上述代码在执行的时候，它消耗的时候并不随着某个变量的增长而增长，那么无论这类代码有多长，即使有几万几十万行，都可以用O(1)来表示它的时间复杂度。

1. 线性阶O(n)

这个在最开始的代码示例中就讲解过了，如：

for(i=1; i<=n; ++i)
{
   j = i;
   j++;
}

这段代码，for循环里面的代码会执行n遍，因此它消耗的时间是随着n的变化而变化的，因此这类代码都可以用O(n)来表示它的时间复杂度。

1. 对数阶O(logN)

还是先来看代码：

int i = 1;
while(i<n)
{
    i = i * 2;
}

从上面代码可以看到，在while循环里面，每次都将 i 乘以 2，乘完之后，i 距离 n 就越来越近了。我们试着求解一下，假设循环x次之后，i 就大于 2 了，此时这个循环就退出了，也就是说 2 的 x 次方等于 n，那么 x = log2^n
也就是说当循环 log2^n 次以后，这个代码就结束了。因此这个代码的时间复杂度为：O(logn)

1. 线性对数阶O(nlogN)

线性对数阶O(nlogN) 其实非常容易理解，将时间复杂度为O(logn)的代码循环N遍的话，那么它的时间复杂度就是 n * O(logN)，也就是了O(nlogN)。

就拿上面的代码加一点修改来举例：

for(m=1; m<n; m++)
{
    i = 1;
    while(i<n)
    {
        i = i * 2;
    }
}

1. 平方阶O(n²)

平方阶O(n²) 就更容易理解了，如果把 O(n) 的代码再嵌套循环一遍，它的时间复杂度就是 O(n²) 了。
举例：

for(x=1; i<=n; x++)
{
   for(i=1; i<=n; i++)
    {
       j = i;
       j++;
    }
}

这段代码其实就是嵌套了2层n循环，它的时间复杂度就是 O(n*n)，即 O(n²)
如果将其中一层循环的n改成m，即：

for(x=1; i<=m; x++)
{
   for(i=1; i<=n; i++)
    {
       j = i;
       j++;
    }
}

那它的时间复杂度就变成了 O(m*n)

1. 立方阶O(n³)、K次方阶O(n^k)

参考上面的O(n²) 去理解就好了，O(n³)相当于三层n循环，其它的类似。

除此之外，其实还有 平均时间复杂度、均摊时间复杂度、最坏时间复杂度、最好时间复杂度 的分析方法，有点复杂，这里就不展开了。

二、空间复杂度

既然时间复杂度不是用来计算程序具体耗时的，那么我也应该明白，空间复杂度也不是用来计算程序实际占用的空间的。

空间复杂度是对一个算法在运行过程中临时占用存储空间大小的一个量度，同样反映的是一个趋势，我们用 S(n) 来定义。

空间复杂度比较常用的有：O(1)、O(n)、O(n²)，我们下面来看看：

1. 空间复杂度 O(1)

如果算法执行所需要的临时空间不随着某个变量n的大小而变化，即此算法空间复杂度为一个常量，可表示为 O(1)
举例：

int i = 1;
int j = 2;
++i;
j++;
int m = i + j;

代码中的 i、j、m 所分配的空间都不随着处理数据量变化，因此它的空间复杂度 S(n) = O(1)

1. 空间复杂度 O(n)

我们先看一个代码：

int[] m = new int[n]
for(i=1; i<=n; ++i)
{
   j = i;
   j++;
}

这段代码中，第一行new了一个数组出来，这个数据占用的大小为n，这段代码的2-6行，虽然有循环，但没有再分配新的空间，因此，这段代码的空间复杂度主要看第一行即可，即 S(n) = O(n)

以上，就是对算法的时间复杂度与空间复杂度基础的分析，欢迎大家一起交流。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

时间复杂度和空间复杂度

 

数据结构和算法本身解决的是“快”和“省”的问题，即如何让代码运行得更快，如何让代码更省存储空间。所以，执行效率是算法一个非常重要的考量指标。那如何来衡量你编写的算法代码的执行效率呢？这里就要用到我们今天要讲的内容：时间、空间复杂度分析。

为什么需要复杂度分析？

首先，我可以肯定地说，你这种评估算法执行效率的方法是正确的。很多数据结构和算法书籍还给这种方法起了一个名字，叫事后统计法。但是，这种统计方法有非常大的局限性。

• 1. 测试结果非常依赖测试环境

测试环境中硬件的不同会对测试结果有很大的影响。比如，我们拿同样一段代码，分别用 Intel Core i9 处理器和 Intel Core i3 处理器来运行，不用说，i9 处理器要比 i3 处理器执行的速度快很多。还有，比如原本在这台机器上 a 代码执行的速度比 b 代码要快，等我们换到另一台机器上时，可能会有截然相反的结果。

• 2. 测试结果受数据规模的影响很大

后面我们会讲排序算法，我们先拿它举个例子。对同一个排序算法，待排序数据的有序度不一样，排序的执行时间就会有很大的差别。极端情况下，如果数据已经是有序的，那排序算法不需要做任何操作，执行时间就会非常短。除此之外，如果测试数据规模太小，测试结果可能无法真实地反应算法的性能。比如，对于小规模的数据排序，插入排序可能反倒会比快速排序要快！

所以，我们需要一个不用具体的测试数据来测试，就可以粗略地估计算法的执行效率的方法。这就是我们今天要讲的时间、空间复杂度分析方法。

大 O 复杂度表示法

算法的执行效率，粗略地讲，就是算法代码执行的时间

这里有段非常简单的代码，求 1,2,3…n 的累加和。现在，我就带你一块来估算一下这段代码的执行时间。

1function cal(n) {
2   var sum = 0;
3   var i = 1;
4   for (; i <= n; ++i) {
5     sum = sum + i;
6   }
7   return sum;
8 }

从 CPU 的角度来看，这段代码的每一行都执行着类似的操作：读数据-运算-写数据。尽管每行代码对应的 CPU 执行的个数、执行的时间都不一样，但是，我们这里只是粗略估计，所以可以假设每行代码执行的时间都一样，为 unit_time。在这个假设的基础之上，这段代码的总执行时间是多少呢？

第 2、3 行代码分别需要 1 个 unit_time 的执行时间，第 4、5 行都运行了 n 遍，所以需要 2nunit_time 的执行时间，所以这段代码总的执行时间就是 (2n+2)unit_time。可以看出来，所有代码的执行时间 T(n) 与每行代码的执行次数成正比。

按照这个分析思路，我们再来看这段代码。

1funtion cal(n) {
2   var sum = 0;
3   var i = 1;
4   var  j = 1;
5    for (; i <= n; ++i) {
6     j = 1;
7     for (; j <= n; ++j) {
8       sum = sum +  i * j;
9     }
10   }
11}

我们依旧假设每个语句的执行时间是 unit_time。那这段代码的总执行时间 T(n) 是多少呢？

第 2、3、4 行代码，每行都需要 1 个 unit_time 的执行时间，第 5、6 行代码循环执行了 n 遍，需要 2n * unit_time 的执行时间，第 7、8 行代码循环执行了 n2遍，所以需要 2n2 * unit_time 的执行时间。所以，整段代码总的执行时间

T(n) = (2n2+2n+3)*unit_time。

尽管我们不知道 unit_time 的具体值，但是通过这两段代码执行时间的推导过程，我们可以得到一个非常重要的规律:

所有代码的执行时间 T(n) 与每行代码的执行次数 n 成正比

T(n) = O((f(n))

我来具体解释一下这个公式。其中，T(n) 我们已经讲过了，它表示代码执行的时间；n 表示数据规模的大小；f(n) 表示每行代码执行的次数总和。因为这是一个公式，所以用 f(n) 来表示。公式中的 O，表示代码的执行时间 T(n) 与 f(n) 表达式成正比。

所以，第一个例子中的 T(n) = O(2n+2)，第二个例子中的 T(n) = O(2n2+2n+3)。这就是大 O 时间复杂度表示法。大 O 时间复杂度实际上并不具体表示代码真正的执行时间，而是表示代码执行时间随数据规模增长的变化趋势，所以，也叫作渐进时间复杂度（asymptotic time complexity），简称时间复杂度。

当 n 很大时，你可以把它想象成 10000、100000。而公式中的低阶、常量、系数三部分并不左右增长趋势，所以都可以忽略。我们只需要记录一个最大量级就可以了，如果用大 O 表示法表示刚讲的那两段代码的时间复杂度，就可以记为：

T(n) = O(n)； T(n) = O(n2)。

推导的过程

T(n) = (2n+2)*unit_time -> T(n) = O(2n+2) -> T(n) = O(n)
T(n) = (2n2+2n+3)*unit_time => T(n) = O(2n2+2n+3) -> T(n) = O(n2)

时间复杂度分析

如何分析一段代码的时间复杂度？三个比较实用的方法

1. 只关注循环执行次数最多的的一段代码
   大 O 这种复杂度表示方法只是表示一种变化趋势。我们通常会忽略掉公式中的常量、低阶、系数，只需要记录一个最大阶的量级就可以了。所以，我们在分析一个算法、一段代码的时间复杂度的时候，也只关注循环执行次数最多的那一段代码就可以了。这段核心代码执行次数的 n 的量级，就是整段要分析代码的时间复杂度。

   1function cal(n) {
   2   var sum = 0;
   3   var i = 1;
   4   for (; i <= n; ++i) {
   5     sum = sum + i;
   6   }
   7   return sum;
   8 }
   

   2.3代码都是常量级别的执行时间，与n的大小无关，所以对于复杂度并没有影响。循环执行次数最多的是滴4、5行代码，所以这块代码要重点分析。那两行代码执行了n次，所以总的时间复杂度就是O(n)

2. 加法法则：总复杂度等于量级最大的那段代码的复杂度

   综合这三段代码的时间复杂度(分别是O(1), O(n), O(n2))，我们取其中最大的量级。所以，整段代码的时间复杂度就为 O(n2)。也就是说：总的时间复杂度就等于量级最大的那段代码的时间复杂度。那我们将这个规律抽象成公式就是：

   如果 T1(n)=O(f(n))，T2(n)=O(g(n))；那么 T(n)=T1(n)+T2(n)=max(O(f(n)), O(g(n))) =O(max(f(n), g(n))).

3. 乘法法则：嵌套代码的复杂度等于嵌套内外代码复杂度的乘积
   类似嵌套循环的，都是用乘法来处理

大O

• O(1),O(n),O(nlogn),O(nlogn),O(n^2)
• 大O描述的是算法的运行时间和输入数据之间的关系

O(n)是nums中的元素个数算法和n呈线性关系，忽略了常数。实际是

T = c1*n + c2;
但是
T = 2*n + 2 O(n)
T = 2000*n + 10000 O(n)
T = 1*n*n + 0 O(n^2)

上面的表达式中第三个n下于3000的时候都是比前面的要小的，但是在n接近无穷的时候，
就是不一样了，所以O是渐进时间复杂度描述n趋近于无穷的情况

• O一般是计算最坏的结果
• 均摊复杂度，有时早规律出现的时候可以使用均摊复杂度
• 复杂度震荡，在边界情况下，来回操作，过于着急（Eager)解决方案就是Lazy

源: Big O Cheat Sheet.

以下是一些最常用的 大O标记法 列表以及它们与不同大小输入数据的性能比较。

大O标记法	计算10个元素	计算100个元素	计算1000个元素
O(1)	1	1	1
O(log N)	3	6	9
O(N)	10	100	1000
O(N log N)	30	600	9000
O(N^2)	100	10000	1000000
O(2^N)	1024	1.26e+29	1.07e+301
O(N!)	3628800	9.3e+157	4.02e+2567

O(log N)和O(N log N)分析

对数阶时间复杂度非常常见，同时也是最难分析的一种时间复杂度。我通过一个例子来说明一下。

i=1;
while (i <= n)  {
     i = i * 2;
}

根据我们前面讲的复杂度分析方法，第三行代码是循环执行次数最多的。所以，我们只要能计算出这行代码被执行了多少次，就能知道整段代码的时间复杂度。

从代码中可以看出，变量 i 的值从 1 开始取，每循环一次就乘以 2。当大于 n 时，循环结束。还记得我们高中学过的等比数列吗？实际上，变量 i 的取值就是一个等比数列。如果我把它一个一个列出来，就应该是这个样子的：

20  21   22  ... 2k ... 2n = n
2的0次方

所以，我们只要知道 x 值是多少，就知道这行代码执行的次数了。通过 2x=n 求解 x 这个问题我们想高中应该就学过了，我就不多说了。x=log2n，所以，这段代码的时间复杂度就是 O(log2n)

如果换成i= i * 3 就是O(log3n)

实际上，不管是以 2 为底、以 3 为底，还是以 10 为底，我们可以把所有对数阶的时间复杂度都记为 O(logn)。为什么呢？

我们知道，对数之间是可以互相转换的，log3n 就等于 log32 * log2n，所以 O(log3n) = O(C * log2n)，其中 C=log32 是一个常量。基于我们前面的一个理论：在采用大 O 标记复杂度的时候，可以忽略系数，即 O(Cf(n)) = O(f(n))。所以，O(log2n) 就等于 O(log3n)。因此，在对数阶时间复杂度的表示方法里，我们忽略对数的“底”，统一表示为 O(logn)。

如果你理解了我前面讲的 O(logn)，那 O(nlogn) 就很容易理解了。还记得我们刚讲的乘法法则吗？如果一段代码的时间复杂度是 O(logn)，我们循环执行 n 遍，时间复杂度就是 O(nlogn) 了。而且，O(nlogn) 也是一种非常常见的算法时间复杂度。比如，归并排序、快速排序的时间复杂度都是 O(nlogn)。

O(m+n) 、O(m*n)

我们再来讲一种跟前面都不一样的时间复杂度，代码的复杂度由两个数据的规模来决定。老规矩，先看代码！

function cal(m, n) {
  var sum_1 = 0;
  var i = 1;
  for (; i < m; ++i) {
    sum_1 = sum_1 + i;
  }
  var sum_2 = 0;
  var j = 1;
  for (; j < n; ++j) {
    sum_2 = sum_2 + j;
  }
  return sum_1 + sum_2;
}

从代码中可以看出，m 和 n 是表示两个数据规模。我们无法事先评估 m 和 n 谁的量级大，所以我们在表示复杂度的时候，就不能简单地利用加法法则，省略掉其中一个。所以，上面代码的时间复杂度就是 O(m+n)。

针对这种情况，原来的加法法则就不正确了，我们需要将加法规则改为：T1(m) + T2(n) = O(f(m) + g(n))。但是乘法法则继续有效：T1(m)*T2(n) = O(f(m) * f(n))。

数据结构操作的复杂性

数据结构	连接	查找	插入	删除
数组	1	n	n	n
栈	n	n	1	1
队列	n	n	1	1
链表	n	n	1	1
哈希表	-	n	n	n
二分查找树	n	n	n	n
B树	log(n)	log(n)	log(n)	log(n)
红黑树	log(n)	log(n)	log(n)	log(n)
AVL树	log(n)	log(n)	log(n)	log(n)

数组排序算法的复杂性

名称	最优	平均	最坏	内存	稳定
冒泡排序	n	n^2	n^2	1	Yes
插入排序	n	n^2	n^2	1	Yes
选择排序	n^2	n^2	n^2	1	No
堆排序	n log(n)	n log(n)	n log(n)	1	No
归并排序	n log(n)	n log(n)	n log(n)	n	Yes
快速排序	n log(n)	n log(n)	n^2	log(n)	No
希尔排序	n log(n)	取决于差距序列	n (log(n))^2	1	No

空间复杂度分析

大 O 表示法和时间复杂度分析，理解了前面讲的内容，空间复杂度分析方法学起来就非常简单了。

前面我讲过，时间复杂度的全称是渐进时间复杂度，表示算法的执行时间与数据规模之间的增长关系。类比一下，空间复杂度全称就是渐进空间复杂度（asymptotic space complexity），表示算法的存储空间与数据规模之间的增长关系。

我还是拿具体的例子来给你说明。

（asymptotic space complexity），表示算法的存储空间与数据规模之间的增长关系。

我还是拿具体的例子来给你说明。（这段代码有点“傻”，一般没人会这么写，我这么写只是为了方便给你解释。）

1function print(n) {
2  var i = 0;
3  var a = [];
4  for (i; i <n; ++i) {
5    a[i] = i * i;
6  }
7  for (i = n-1; i >= 0; --i) {
8    console.log(a[i])
9  }

跟时间复杂度分析一样，我们可以看到，第 2 行代码中，我们申请了一个空间存储变量 i，但是它是常量阶的，跟数据规模 n 没有关系，所以我们可以忽略。第 3 行申请了一个大小为 n 的 int 类型数组，除此之外，剩下的代码都没有占用更多的空间，所以整段代码的空间复杂度就是 O(n)。

我们常见的空间复杂度就是 O(1)、O(n)、O(n2 )，像 O(logn)、O(nlogn) 这样的对数阶复杂度平时都用不到。而且，空间复杂度分析比时间复杂度分析要简单很多。所以，对于空间复杂度，掌握刚我说的这些内容已经足够了。

最好最坏情况时间复杂度

先看例子：

// n 表示数组 array 的长度
// indexOf
funcrion find(array, n, x) {
  var i = 0;
  var pos = -1;
  for (; i < n; ++i) {
    if (array[i] == x) pos = i;
  }
  return pos;
}

你应该可以看出来，这段代码要实现的功能是，在一个无序的数组（array）中，查找变量 x 出现的位置。如果没有找到，就返回 -1。按照上节课讲的分析方法，这段代码的复杂度是 O(n)，其中，n 代表数组的长度。

我们在数组中查找一个数据，并不需要每次都把整个数组都遍历一遍，因为有可能中途找到就可以提前结束循环了。但是，这段代码写得不够高效。我们可以这样优化一下这段查找代码。

// n 表示数组 array 的长度
function find(array, n, x) {
  var i = 0;
  var pos = -1;
  for (; i < n; ++i) {
    if (array[i] == x) {
       pos = i;
       break;
    }
  }
  return pos;
}

这个时候，问题就来了。我们优化完之后，这段代码的时间复杂度还是 O(n) 吗？很显然，咱们上一节讲的分析方法，解决不了这个问题。

因为，要查找的变量 x 可能出现在数组的任意位置。如果数组中第一个元素正好是要查找的变量 x，那就不需要继续遍历剩下的 n-1 个数据了，那时间复杂度就是 O(1)。但如果数组中不存在变量 x，那我们就需要把整个数组都遍历一遍，时间复杂度就成了 O(n)。所以，不同的情况下，这段代码的时间复杂度是不一样的。

为了表示代码在不同情况下的不同时间复杂度，我们需要引入三个概念：最好情况时间复杂度、最坏情况时间复杂度和平均情况时间复杂度。

顾名思义，最好情况时间复杂度就是，在最理想的情况下，执行这段代码的时间复杂度。就像我们刚刚讲到的，在最理想的情况下，要查找的变量 x 正好是数组的第一个元素，这个时候对应的时间复杂度就是最好情况时间复杂度。

同理，最坏情况时间复杂度就是，在最糟糕的情况下，执行这段代码的时间复杂度。就像刚举的那个例子，如果数组中没有要查找的变量 x，我们需要把整个数组都遍历一遍才行，所以这种最糟糕情况下对应的时间复杂度就是最坏情况时间复杂度。

平均情况时间复杂度

我们都知道，最好情况时间复杂度和最坏情况时间复杂度对应的都是极端情况下的代码复杂度，发生的概率其实并不大。为了更好地表示平均情况下的时间复杂度，需要进入一个新的概念：平均情况时间复杂度，后面简称平均时间复杂度。

分析上面的例子平均复杂度怎么计算，在n+1中情况：在数组中0~0-1位置中和不在数组中

把每一种情况累加起来，然后在除以n+1,就可以得到需要遍历元素个数的平均值：

我们知道，时间复杂度的大 O 标记法中，可以省略掉系数、低阶、常量，所以，咱们把刚刚这个公式简化之后，得到的平均时间复杂度就是 O(n)。

这个结论虽然是正确的，但是计算过程稍微有点儿问题。究竟是什么问题呢？我们刚讲的这 n+1 种情况，出现的概率并不是一样的。我带你具体分析一下。（这里要稍微用到一点儿概率论的知识，不过非常简单，你不用担心。）

我们知道，要查找的变量 x，要么在数组里，要么就不在数组里。这两种情况对应的概率统计起来很麻烦，为了方便你理解，我们假设在数组中与不在数组中的概率都为 1/2。另外，要查找的数据出现在 0～n-1 这 n 个位置的概率也是一样的，为 1/n。所以，根据概率乘法法则，要查找的数据出现在 0～n-1 中任意位置的概率就是 1/(2n)。

因此，前面的推导过程中存在的最大问题就是，没有将各种情况发生的概率考虑进去。如果我们把每种情况发生的概率也考虑进去，那平均时间复杂度的计算过程就变成了这样：

这个值就是概率论中的加权平均值，也叫作期望值，所以平均时间复杂度的全称应该叫加权平均时间复杂度或者期望时间复杂度。

引入概率之后，前面那段代码的加权平均值为 (3n+1)/4。用大 O 表示法来表示，去掉系数和常量，这段代码的加权平均时间复杂度仍然是 O(n)。

你可能会说，平均时间复杂度分析好复杂啊，还要涉及概率论的知识。实际上，在大多数情况下，我们并不需要区分最好、最坏、平均情况时间复杂度三种情况。像我们上一节课举的那些例子那样，很多时候，我们使用一个复杂度就可以满足需求了。只有同一块代码在不同的情况下，时间复杂度有量级的差距，我们才会使用这三种复杂度表示法来区分。

均摊时间复杂度

到此为止，你应该已经掌握了算法复杂度分析的大部分内容了。下面我要给你讲一个更加高级的概念，均摊时间复杂度，以及它对应的分析方法，摊还分析（或者叫平摊分析）。

均摊时间复杂度，听起来跟平均时间复杂度有点儿像。对于初学者来说，这两个概念确实非常容易弄混。我前面说了，大部分情况下，我们并不需要区分最好、最坏、平均三种复杂度。平均复杂度只在某些特殊情况下才会用到，而均摊时间复杂度应用的场景比它更加特殊、更加有限。

老规矩，我还是借助一个具体的例子来帮助你理解。（当然，这个例子只是我为了方便讲解想出来的，实际上没人会这么写。）

 // array 表示一个长度为 n 的数组
 // 代码中的 array.length 就等于 n
 int[] array = new int[n];
 int count = 0;
 void insert(int val) {
    if (count == array.length) {
       int sum = 0;
       for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
          sum = sum + array[i];
       }
       array[0] = sum;
       count = 1;
    }
    array[count] = val;
    ++count;
 }

我先来解释一下这段代码。这段代码实现了一个往数组中插入数据的功能。当数组满了之后，也就是代码中的 count == array.length 时，我们用 for 循环遍历数组求和，并清空数组，将求和之后的 sum 值放到数组的第一个位置，然后再将新的数据插入。但如果数组一开始就有空闲空间，则直接将数据插入数组。

那这段代码的时间复杂度是多少呢？你可以先用我们刚讲到的三种时间复杂度的分析方法来分析一下。

最理想的情况下，数组中有空闲空间，我们只需要将数据插入到数组下标为 count 的位置就可以了，所以最好情况时间复杂度为 O(1)。最坏的情况下，数组中没有空闲空间了，我们需要先做一次数组的遍历求和，然后再将数据插入，所以最坏情况时间复杂度为 O(n)。

那平均时间复杂度是多少呢？答案是 O(1)。我们还是可以通过前面讲的概率论的方法来分析。

假设数组的长度是 n，根据数据插入的位置的不同，我们可以分为 n 种情况，每种情况的时间复杂度是 O(1)。除此之外，还有一种“额外”的情况，就是在数组没有空闲空间时插入一个数据，这个时候的时间复杂度是 O(n)。而且，这 n+1 种情况发生的概率一样，都是 1/(n+1)。所以，根据加权平均的计算方法，我们求得的平均时间复杂度就是：

至此为止，前面的最好、最坏、平均时间复杂度的计算，理解起来应该都没有问题。但是这个例子里的平均复杂度分析其实并不需要这么复杂，不需要引入概率论的知识。这是为什么呢？我们先来对比一下这个 insert() 的例子和前面那个 find() 的例子，你就会发现这两者有很大差别。

首先，find() 函数在极端情况下，复杂度才为 O(1)。但 insert() 在大部分情况下，时间复杂度都为 O(1)。只有个别情况下，复杂度才比较高，为 O(n)。这是 insert()第一个区别于 find() 的地方。

我们再来看第二个不同的地方。对于 insert() 函数来说，O(1) 时间复杂度的插入和 O(n) 时间复杂度的插入，出现的频率是非常有规律的，而且有一定的前后时序关系，一般都是一个 O(n) 插入之后，紧跟着 n-1 个 O(1) 的插入操作，循环往复。

所以，针对这样一种特殊场景的复杂度分析，我们并不需要像之前讲平均复杂度分析方法那样，找出所有的输入情况及相应的发生概率，然后再计算加权平均值。

针对这种特殊的场景，我们引入了一种更加简单的分析方法：摊还分析法，通过摊还分析得到的时间复杂度我们起了一个名字，叫均摊时间复杂度。

那究竟如何使用摊还分析法来分析算法的均摊时间复杂度呢？

我们还是继续看在数组中插入数据的这个例子。每一次 O(n) 的插入操作，都会跟着 n-1 次 O(1) 的插入操作，所以把耗时多的那次操作均摊到接下来的 n-1 次耗时少的操作上，均摊下来，这一组连续的操作的均摊时间复杂度就是 O(1)。这就是均摊分析的大致思路。你都理解了吗？

均摊时间复杂度和摊还分析应用场景比较特殊，所以我们并不会经常用到。为了方便你理解、记忆，我这里简单总结一下它们的应用场景。如果你遇到了，知道是怎么回事儿就行了。

对一个数据结构进行一组连续操作中，大部分情况下时间复杂度都很低，只有个别情况下时间复杂度比较高，而且这些操作之间存在前后连贯的时序关系，这个时候，我们就可以将这一组操作放在一块儿分析，看是否能将较高时间复杂度那次操作的耗时，平摊到其他那些时间复杂度比较低的操作上。而且，在能够应用均摊时间复杂度分析的场合，一般均摊时间复杂度就等于最好情况时间复杂度。

对数据规模有一个概念和分析

如果要想在1s之内解决问题：

• O(n^{2)的算法可以处理大约10}4级别的数据
• O(n)的算法可以处理大约10^8级别的数据
• O(nlogn)的算法可以处理大约10^级别的数据

递归算法的复杂度分析

只进行一次的递归,递归深度logn 时间复杂度O(logn)

function binarySearch(arr, l, r, target) {
    if (l < r){
        return -1;
    }
    let mid = l + (r-l)/2;
    if(arr[mid] == target) {
        return mid;
    } else if (arr[mid] > target) {
      return binarySearch(arr, l , mid-1, target);  
    } else {
      return binarySearch(arr, mid+1, r, target;
    }
    
}

如果递归函数中，只进行一次递归调用，递归深度为depth；
在每个递归函数中，时间复杂度为T;
则总体的时间复杂度为O(T*depth)

多次递归调用

function f(n) {
    if (n==0) {
        return 1;
    }
    return f(n-1) + f(n-1)
}

n层

logn层，分治算法

避免复杂度的震荡

java数组动态扩容

假设我们现在有一个数组，这个数组的容量为n，并且现在也装满了元素，那么现在我们再调用一下addLast操作，显然在添加一个新的元素的时候会需要扩容（扩容会耗费O(N)的时间），之后我们马上进行removeLast操作（根据我们之前的逻辑，在上一个操作里通过扩容，容量变为了2n，在我们删除1个元素之后，元素又变为了n = 2n/2，根据我们代码中的逻辑，会触发缩容的操作，同样耗费了O(n)的时间）；那么我们如果再addLast、removeLast…等相继依次操作。

对于addLast和removeLast来说，都是每隔n次操作都会触发resize，而不会每次都触发
但是现在我们制造了一种情景：同时看addLast和removeLast的时候，每一次都会耗费O(n)的复杂度，那么这就是复杂度的震荡

resize的复杂度分析——出现复杂度震荡的原因及解决方案

removeLast时resize过于着急（采用了Eager的策略: 一旦我们的元素变为当前容积的1/2的时候，我们马上就把当前的容积也缩容为1/2）
解决方案: Lazy （在线段树中，也会用到类似的思路）
当元素变为当前容积的1/2时，不着急把当前容积缩容，而是等等；如果后面一直有删除操作的话，当删除元素到整个数组容积的1/4时，那么这样看来我们的数组确实用不了这么大的容积，此时我们再来进行缩容，缩容整个数组的1/2（这样，即便我们要添加元素，也不需要马上触发扩容操作）

当 size == capacity / 4时，才将capacity减半！

复杂度分析的4个概念

一、复杂度分析的4个概念

• 1.最坏情况时间复杂度：代码在最理想情况下执行的时间复杂度。
• 2.最好情况时间复杂度：代码在最坏情况下执行的时间复杂度。
• 3.平均时间复杂度：用代码在所有情况下执行的次数的加权平均值表示。
• 4.均摊时间复杂度：在代码执行的所有复杂度情况中绝大部分是低级别的复杂度，个别情况是高级别复杂度且发生具有时序关系时，可以将个别高级别复杂度均摊到低级别复杂度上。基本上均摊结果就等于低级别复杂度。

二、为什么要引入这4个概念？

1.同一段代码在不同情况下时间复杂度会出现量级差异，为了更全面，更准确的描述代码的时间复杂度，所以引入这4个概念。

2.代码复杂度在不同情况下出现量级差别时才需要区别这四种复杂度。大多数情况下，是不需要区别分析它们的。

三、如何分析平均、均摊时间复杂度？

1.平均时间复杂度

代码在不同情况下复杂度出现量级差别，则用代码所有可能情况下执行次数的加权平均值表示。

2.均摊时间复杂度

两个条件满足时使用：1）代码在绝大多数情况下是低级别复杂度，只有极少数情况是高级别复杂度；2）低级别和高级别复杂度出现具有时序规律。均摊结果一般都等于低级别复杂度。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

算法的时间复杂度和空间复杂度-总结

        通常，对于一个给定的算法，我们要做 两项分析。第一是从数学上证明算法的正确性，这一步主要用到形式化证明的方法及相关推理模式，如循环不变式、数学归纳法等。而在证明算法是正确的基础上，第二部就是分析算法的时间复杂度。算法的时间复杂度反映了程序执行时间随输入规模增长而增长的量级，在很大程度上能很好反映出算法的优劣与否。因此，作为程序员，掌握基本的算法时间复杂度分析方法是很有必要的。
       算法执行时间需通过依据该算法编制的程序在计算机上运行时所消耗的时间来度量。而度量一个程序的执行时间通常有两种方法。

一、事后统计的方法

        这种方法可行，但不是一个好的方法。该方法有两个缺陷：一是要想对设计的算法的运行性能进行评测，必须先依据算法编制相应的程序并实际运行；二是所得时间的统计量依赖于计算机的硬件、软件等环境因素，有时容易掩盖算法本身的优势。

二、事前分析估算的方法

        因事后统计方法更多的依赖于计算机的硬件、软件等环境因素，有时容易掩盖算法本身的优劣。因此人们常常采用事前分析估算的方法。

在编写程序前，依据统计方法对算法进行估算。一个用高级语言编写的程序在计算机上运行时所消耗的时间取决于下列因素：

      (1). 算法采用的策略、方法；(2). 编译产生的代码质量；(3). 问题的输入规模；(4).  机器执行指令的速度。

     一个算法是由控制结构（顺序、分支和循环3种）和原操作（指固有数据类型的操作）构成的，则算法时间取决于两者的综合效果。为了便于比较同一个问题的不同算法，通常的做法是，从算法中选取一种对于所研究的问题（或算法类型）来说是基本操作的原操作，以该基本操作的重复执行的次数作为算法的时间量度。

1、时间复杂度
（1）时间频度 一个算法执行所耗费的时间，从理论上是不能算出来的，必须上机运行测试才能知道。但我们不可能也没有必要对每个算法都上机测试，只需知道哪个算法花费的时间多，哪个算法花费的时间少就可以了。并且一个算法花费的时间与算法中语句的执行次数成正比例，哪个算法中语句执行次数多，它花费时间就多。一个算法中的语句执行次数称为语句频度或时间频度。记为T(n)。
（2）时间复杂度 在刚才提到的时间频度中，n称为问题的规模，当n不断变化时，时间频度T(n)也会不断变化。但有时我们想知道它变化时呈现什么规律。为此，我们引入时间复杂度概念。 一般情况下，算法中基本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),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。

       另外，上面公式中用到的 Landau符号其实是由德国数论学家保罗·巴赫曼（Paul Bachmann）在其1892年的著作《解析数论》首先引入，由另一位德国数论学家艾德蒙·朗道（Edmund Landau）推广。Landau符号的作用在于用简单的函数来描述复杂函数行为，给出一个上或下（确）界。在计算算法复杂度时一般只用到大O符号，Landau符号体系中的小o符号、Θ符号等等比较不常用。这里的O，最初是用大写希腊字母，但现在都用大写英语字母O；小o符号也是用小写英语字母o，Θ符号则维持大写希腊字母Θ。
        T (n) = Ο(f (n)) 表示存在一个常数C，使得在当n趋于正无穷时总有 T (n) ≤ C * f(n)。简单来说，就是T(n)在n趋于正无穷时最大也就跟f(n)差不多大。也就是说当n趋于正无穷时T (n)的上界是C * f(n)。其虽然对f(n)没有规定，但是一般都是取尽可能简单的函数。例如，O(2n²+n +1) = O (3n²+n+3) = O (7n² + n) = O ( n² ) ，一般都只用O(n²)表示就可以了。注意到大O符号里隐藏着一个常数C，所以f(n)里一般不加系数。如果把T(n)当做一棵树，那么O(f(n))所表达的就是树干，只关心其中的主干，其他的细枝末节全都抛弃不管。
        在各种不同算法中，若算法中语句执行次数为一个常数，则时间复杂度为O(1),另外，在时间频度不相同时，时间复杂度有可能相同，如T(n)=n²+3n+4与T(n)=4n²+2n+1它们的频度不同，但时间复杂度相同，都为O(n²)。 按数量级递增排列，常见的时间复杂度有：常数阶O(1),对数阶O(log₂n),线性阶O(n), 线性对数阶O(nlog₂n),平方阶O(n²)，立方阶O(n³),...， k次方阶O(n^k),指数阶O(2ⁿ)。随着问题规模n的不断增大，上述时间复杂度不断增大，算法的执行效率越低。

   从图中可见，我们应该尽可能选用多项式阶O(n^k)的算法，而不希望用指数阶的算法。

      常见的算法时间复杂度由小到大依次为：Ο(1)＜Ο(log₂n)＜Ο(n)＜Ο(nlog₂n)＜Ο(n²)＜Ο(n³)＜…＜Ο(2ⁿ)＜Ο(n!)

       一般情况下，对一个问题（或一类算法）只需选择一种基本操作来讨论算法的时间复杂度即可，有时也需要同时考虑几种基本操作，甚至可以对不同的操作赋予不同的权值，以反映执行不同操作所需的相对时间，这种做法便于综合比较解决同一问题的两种完全不同的算法。

（3）求解算法的时间复杂度的具体步骤是：

　　⑴ 找出算法中的基本语句；

　　算法中执行次数最多的那条语句就是基本语句，通常是最内层循环的循环体。

　　⑵ 计算基本语句的执行次数的数量级；

　　只需计算基本语句执行次数的数量级，这就意味着只要保证基本语句执行次数的函数中的最高次幂正确即可，可以忽略所有低次幂和最高次幂的系数。这样能够简化算法分析，并且使注意力集中在最重要的一点上：增长率。

　　⑶ 用大Ο记号表示算法的时间性能。

　　将基本语句执行次数的数量级放入大Ο记号中。

　　如果算法中包含嵌套的循环，则基本语句通常是最内层的循环体，如果算法中包含并列的循环，则将并列循环的时间复杂度相加。例如：

1.  
   　　for (i=1; i<=n; i++)
2.  
   　　 x++;
3.  
   　　for (i=1; i<=n; i++)
4.  
   　 　for (j=1; j<=n; j++)
5.  
   　　 x++;

　　第一个for循环的时间复杂度为Ο(n)，第二个for循环的时间复杂度为Ο(n²)，则整个算法的时间复杂度为Ο(n+n²)=Ο(n²)。

　　Ο(1)表示基本语句的执行次数是一个常数，一般来说，只要算法中不存在循环语句，其时间复杂度就是Ο(1)。其中Ο(log₂n)、Ο(n)、 Ο(nlog₂n)、Ο(n²)和Ο(n³)称为多项式时间，而Ο(2ⁿ)和Ο(n!)称为指数时间。计算机科学家普遍认为前者（即多项式时间复杂度的算法）是有效算法，把这类问题称为P（Polynomial,多项式）类问题，而把后者（即指数时间复杂度的算法）称为NP（Non-Deterministic Polynomial, 非确定多项式）问题。

        一般来说多项式级的复杂度是可以接受的，很多问题都有多项式级的解——也就是说，这样的问题，对于一个规模是n的输入，在n^k的时间内得到结果，称为P问题。有些问题要复杂些，没有多项式时间的解，但是可以在多项式时间里验证某个猜测是不是正确。比如问4294967297是不是质数？如果要直接入手的话，那么要把小于4294967297的平方根的所有素数都拿出来，看看能不能整除。还好欧拉告诉我们，这个数等于641和6700417的乘积，不是素数，很好验证的，顺便麻烦转告费马他的猜想不成立。大数分解、Hamilton回路之类的问题，都是可以多项式时间内验证一个“解”是否正确，这类问题叫做NP问题。

（4）在计算算法时间复杂度时有以下几个简单的程序分析法则:

(1).对于一些简单的输入输出语句或赋值语句,近似认为需要O(1)时间

(2).对于顺序结构,需要依次执行一系列语句所用的时间可采用大O下"求和法则"

求和法则:是指若算法的2个部分时间复杂度分别为 T1(n)=O(f(n))和 T2(n)=O(g(n)),则 T1(n)+T2(n)=O(max(f(n), g(n)))

特别地,若T1(m)=O(f(m)), T2(n)=O(g(n)),则 T1(m)+T2(n)=O(f(m) + g(n))

(3).对于选择结构,如if语句,它的主要时间耗费是在执行then字句或else字句所用的时间,需注意的是检验条件也需要O(1)时间

(4).对于循环结构,循环语句的运行时间主要体现在多次迭代中执行循环体以及检验循环条件的时间耗费,一般可用大O下"乘法法则"

乘法法则: 是指若算法的2个部分时间复杂度分别为 T1(n)=O(f(n))和 T2(n)=O(g(n)),则 T1*T2=O(f(n)*g(n))

(5).对于复杂的算法,可以将它分成几个容易估算的部分,然后利用求和法则和乘法法则技术整个算法的时间复杂度

另外还有以下2个运算法则:(1) 若g(n)=O(f(n)),则O(f(n))+ O(g(n))= O(f(n))；(2) O(Cf(n)) = O(f(n)),其中C是一个正常数

 （5）下面分别对几个常见的时间复杂度进行示例说明：

(1)、O(1)

        Temp=i; i=j; j=temp;                    

以上三条单个语句的频度均为1，该程序段的执行时间是一个与问题规模n无关的常数。算法的时间复杂度为常数阶，记作T(n)=O(1)。注意：如果算法的执行时间不随着问题规模n的增加而增长，即使算法中有上千条语句，其执行时间也不过是一个较大的常数。此类算法的时间复杂度是O(1)。

(2)、O(n²)

2.1. 交换i和j的内容

1.  
   sum=0； （一次）
2.  
   for(i=1;i<=n;i++) （n+1次）
3.  
   for(j=1;j<=n;j++) （n2次）
4.  
   sum++； （n2次）

解：因为Θ(2n²+n+1)=n²（Θ即：去低阶项，去掉常数项，去掉高阶项的常参得到），所以T(n)= =O(n²)；

2.2.   

1.  
   for (i=1;i<n;i++)
2.  
   {
3.  
   y=y+1; ①
4.  
   for (j=0;j<=(2*n);j++)
5.  
   x++; ②
6.  
   }

解： 语句1的频度是n-1
          语句2的频度是(n-1)*(2n+1)=2n²-n-1
          f(n)=2n²-n-1+(n-1)=2n²-2；

        又Θ(2n²-2)=n²
          该程序的时间复杂度T(n)=O(n²).  

　　一般情况下，对步进循环语句只需考虑循环体中语句的执行次数，忽略该语句中步长加1、终值判别、控制转移等成分，当有若干个循环语句时，算法的时间复杂度是由嵌套层数最多的循环语句中最内层语句的频度f(n)决定的。     

(3)、O(n)                                                              

1.  
   a=0;
2.  
   b=1; ①
3.  
   for (i=1;i<=n;i++) ②
4.  
   {
5.  
   s=a+b;　　　　③
6.  
   b=a;　　　　　④
7.  
   a=s;　　　　　⑤
8.  
   }

解： 语句1的频度：2,       
           语句2的频度： n,       
          语句3的频度： n-1,       
          语句4的频度：n-1,   
          语句5的频度：n-1,                                 
          T(n)=2+n+3(n-1)=4n-1=O(n).
(4)、O(log₂n)

1.  
   i=1; ①
2.  
   while (i<=n)
3.  
   i=i*2; ②

解： 语句1的频度是1, 
          设语句2的频度是f(n),   则：2^f(n)<=n;f(n)<=log₂n    
          取最大值f(n)=log₂n,
          T(n)=O(log₂n )

(5)、O(n³) 

1.  
   for(i=0;i<n;i++)
2.  
   {
3.  
   for(j=0;j<i;j++)
4.  
   {
5.  
   for(k=0;k<j;k++)
6.  
   x=x+2;
7.  
   }
8.  
   }

解：当i=m, j=k的时候,内层循环的次数为k当i=m时, j 可以取 0,1,...,m-1 , 所以这里最内循环共进行了0+1+...+m-1=(m-1)m/2次所以,i从0取到n, 则循环共进行了: 0+(1-1)*1/2+...+(n-1)n/2=n(n+1)(n-1)/6所以时间复杂度为O(n³).

（5）常用的算法的时间复杂度和空间复杂度

一个经验规则：其中c是一个常量，如果一个算法的复杂度为c 、 log₂n 、n 、 n*log₂n ,那么这个算法时间效率比较高 ，如果是2ⁿ ,3ⁿ ,n!，那么稍微大一些的n就会令这个算法不能动了，居于中间的几个则差强人意。

       算法时间复杂度分析是一个很重要的问题，任何一个程序员都应该熟练掌握其概念和基本方法，而且要善于从数学层面上探寻其本质，才能准确理解其内涵。

2、算法的空间复杂度

        类似于时间复杂度的讨论，一个算法的空间复杂度(Space Complexity)S(n)定义为该算法所耗费的存储空间，它也是问题规模n的函数。渐近空间复杂度也常常简称为空间复杂度。
空间复杂度(Space Complexity)是对一个算法在运行过程中临时占用存储空间大小的量度。一个算法在计算机存储器上所占用的存储空间，包括存储算法本身所占用的存储空间，算法的输入输出数据所占用的存储空间和算法在运行过程中临时占用的存储空间这三个方面。算法的输入输出数据所占用的存储空间是由要解决的问题决定的，是通过参数表由调用函数传递而来的，它不随本算法的不同而改变。存储算法本身所占用的存储空间与算法书写的长短成正比，要压缩这方面的存储空间，就必须编写出较短的算法。算法在运行过程中临时占用的存储空间随算法的不同而异，有的算法只需要占用少量的临时工作单元，而且不随问题规模的大小而改变，我们称这种算法是“就地\"进行的，是节省存储的算法，如这一节介绍过的几个算法都是如此；有的算法需要占用的临时工作单元数与解决问题的规模n有关，它随着n的增大而增大，当n较大时，将占用较多的存储单元，例如将在第九章介绍的快速排序和归并排序算法就属于这种情况。

如当一个算法的空间复杂度为一个常量，即不随被处理数据量n的大小而改变时，可表示为O(1)；当一个算法的空间复杂度与以2为底的n的对数成正比时，可表示为0(10g2n)；当一个算法的空I司复杂度与n成线性比例关系时，可表示为0(n).若形参为数组，则只需要为它分配一个存储由实参传送来的一个地址指针的空间，即一个机器字长空间；若形参为引用方式，则也只需要为其分配存储一个地址的空间，用它来存储对应实参变量的地址，以便由系统自动引用实参变量。

参考1：http://www.cnblogs.com/songQQ/archive/2009/10/20/1587122.html

参考2 ：http://www.cppblog.com/85940806/archive/2011/03/12/141672.html

 

 

 

 

 

 

 

 

 

空间复杂度（Space Complexity）

算法得存储量包括：

　　1.程序本身所占空间。

　　2.输入数据所占空间。

　　3.辅助变量所占空间。

输入数据所占空间只取决于问题本身，和算法无关，则只需分析除输入和程序之外得辅助变量所占额外空间。

空间复杂度是对一个算法在运行过程中临时占用得存储空间大小的量度，一般也作为问题规模n得函数，以数量级形式给出，记作：

　　S(n) = O(g(n))

g(n)的计算规则和时间复杂度一致

空间复杂度分析1：

 

1 int fun(int n){   
2     int i，j，k，s; 
3         s=0;
4         for (i=0;i<=n;i++)           
5                for (j=0;j<=i;j++)      
6                        for (k=0;k<=j;k++)     
7                           s++; 
8         return(s);
9 }

 

由于算法中临时变量得个数与问题规模n无关，所以空间复杂度均为

　　S(n) = O(1)

 

空间复杂度分析2：

 

 1 void fun(int a[]，int n，int k) 
 2    //数组a共有n个元素
 3  {    int i;
 4     if (k==n-1)
 5        for (i=0;i<n;i++)　　
 6            printf(“%d\n”，a[i]);  //执行n次
 7     else
 8     {  for (i=k;i<n;i++)
 9         a[i]=a[i]+i*i;    　　//执行n-k次
10        fun(a，n，k+1);
11     }
12  } 

 

　　S(n) = O(g(1*n))

此方法属于递归算法，每次调用本身都要分配空间，fun(a,n,0)的空间复杂度为O(n)。

注意：

　　1.空间复杂度相比时间复杂度分析要少。

　　2.对于递归算法来说，代码一般都比较简短，算法本身所占用的存储空间较少，但运行时需要占用较多的临时工作单元。

若写成非递归算法，代码一般可能比较长，算法本身占用的存储空间较多，但运行时将可能需要较少的存储单元。

 

 

 

 

 

附录：

链表，二叉树，堆，栈等增删改查的时间复杂度

一、常用数据结构增删查时间复杂度

https://blog.csdn.net/MOMONGA/article/details/51578602
https://blog.csdn.net/m0_37482190/article/details/87981580

数据结构	根据关键字查找	根据索引查找	插入	删除
数组	O(n)	O(1)	O(n)	O(n)
有序数组	O(logn)	O(1)	O(n)	O(n)
链表	O(n)	O(n)	O(1)	O(1)
有序链表	O(n)	O(n)	O(1)	O(1)
双向链表	O(n)	O(n)	O(1)	O(1)
二叉树（一般情况）	O(logn)		O(logn)	O(logn)
二叉树（最坏情况）	O(n)		O(n)	O(n)
平衡树	O(logn)	O(logn)	O(logn)	O(logn)
排序二叉树	O(logn)~O(n)	O(logn)~O(n)	O(logn)~O(n)	O(logn)~O(n)
哈希表	O(1)		O(1)	O(1)

1、数组

数组长度设为n

1.1 正常数组:

增改查:
既然知道数值对应的下标,那么我们要想找到一个数组中的数,只需要锁定其下标,对它进行增改查操作即可.所以这是一步锁定的操作.
  则这种情况下增改查的时间复杂度是 O(1).

删：
一步锁定找到想要删除的数值,进行删除,然后需要移动删除部分后面的数值,如果该数值在数组头部,则需要移动n次,若在尾部,则无需移动,取一个平均值则需要n/2次,忽略常数,所以删操作的时间复杂度是 O(n).

1.2 无下标数组:

  不知道数值的对应下标的数组,我们简称为无下标的数组,不知道所要操作的数值在数组的什么地方,这就需要我们去数组遍历寻找,然后进行操作.

增:
数组是地址连续存储的,所以对数组进行增操作,只要在数组尾部增加即可,一步到位,所以增操作的时间复杂度是 O(1).

删:
要遍历找到想要删除的数值,进行删除,如果该数值在数组头部,则需要遍历一次,若在尾部,则需要遍历n次,取一个平均值则需要遍历n/2次,忽略常数,所以删操作的时间复杂度是 O(n).

改:
改操作同删除操作类似,要遍历找到想要更改的数值,进行更改,所以改操作的时间复杂度是 O(n).

查:
查操作也同上,时间复杂度是 O(n).

1.3 有序无下标数组:

查:
这里我们先说查操作,计算机在进行操作时,会选择使用最优的方法解决问题,我们这里的数组是有序的,所以使用 二分查找 比遍历查找更快,其平均查找次数是log2n.
实际上由于所有的对数都和其他对数成比例(从底数位2转换到底数位10需乘以3.332)，我们可以将这个为常数的底数也可忽略。由此不必指定底数：时间复杂度是 log(n).

增:
针对有序无下标的数组,不能随意在尾部添加数据,应该找到数据适合添加的位置,平均查找次数是平均查找次数是log2n,找到该位置后,还要将插入位置后面的数组进行后移操作,平均移动次数也是n/2,相加则平均进行n/2+log2n次操作,时间复杂度取最大值,则增操作的时间复杂度是 O(n).

删:
删操作同样针对有序无下标的数组,要遍历找到想要删除的数值,进行删除,平均查找次数是log2n,找到该位置后删除,还要将删除位置后面的数组进行前移操作,平均移动次数是n/2,同理删操作的时间复杂度是 O(n).

改:
改操作同删除操作类似,要遍历找到想要更改的数值,进行更改,平均查找次数是log2n,还要将该更改的数找到合适的位置移动排序,平均查找次数是n/2,所以改操作的时间复杂度是 O(n).

2、链表

设链表长度为n

2.1 单向无序链表:

增:
链表是通过记录头部地址来进行寻找后面数值的,所以需要遍历链表操作,如果在头部增,只需要查找一次,时间复杂度是 O(1),在尾部增需要查找n次,时间复杂度是 O(n).

删:
要遍历找到想要删除的数值,进行删除,对于链表,我们没法使用二分查找,只能遍历查找,找到该节点后删除,平均查找次数是n/2,时间复杂度是 O(n).

改:
要遍历找到想要更改的数值,同样只能遍历查找,平均查找次数是n/2,时间复杂度是 O(n).

查:
要遍历查找,同样只能遍历查找,平均查找次数是n/2,时间复杂度是 O(n).

2.2 单向有序链表:

增:
针对有序链表操作,需要保持其有序的原则,遍历链表找到该数值所在节点可以增加的位置,平均查找次数是n/2,时间复杂度是 O(n).

删:
通过遍历查找,找到该节点后删除,平均查找次数是n/2,时间复杂度是 O(n).

改:
通过遍历查找,找到想要更改的数值,同样只能遍历查找,平均查找次数是n/2,然后需要根据有序原则,为该节点寻找适合的位置进行移动,平均查找时间是n/2,时间复杂度是 O(n).

查:
要遍历查找,同样只能遍历查找,平均查找次数是n/2,时间复杂度是 O(n).

2.3 二叉排序树:

二叉排序树又称二叉查找树，它或是一棵空的二叉树，或是具有下列性质的二叉树：

• 若它的左子树不空，则左子树上所有节点的值均小于根节点的值
• 若它的右子树不空，则右子树上所有节点的值均大于根节点的值
• 它的左右子树也都是二叉排序树

查:
给定值的比较次数等于给定值节点在二叉排序树中的层数。如果二叉排序树是平衡的，则n个节点的二叉排序树的高度为log2n +1,其查找效率为O(log2n)，近似于折半查找。如果二叉排序树完全不平衡，则其深度可达到n，查找效率为O(n)，退化为顺序查找。一般的，二叉排序树的查找性能在O(log2n)到O(n)之间。因此，为了获得较好的查找性能，就要构造一棵平衡的二叉排序树。

增/删/改:
同理如查