数据结构和算法 Java版本(14)排序算法和时间复杂度

    科技2022-07-14  125

    数据结构和算法(14)排序算法和时间复杂度

    排序算法介绍

    排序也称排序算法(Sort Algorithm),排序是将一组数据,依照指定的顺序进行排列的过程。

    排序的分类:

    1)内部排序:

    指将需要处理的所有数据都加载到内部存储器(内存)中进行排序

    2)外部排序法:

    数据量过大,无法全部加载到内存中,需要借助外部存储(文件 等)进行排序。

    3)常见的排序算法分类

    算法的时间复杂度

    度量一个程序(算法)执行时间的两种方法

    1)事后统计法

    这种方法可行,但是有两个问题:一是要想对设计的算法进行性能评测,需要实际运行该程序;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,这种方式,要在同一台计算机的相同状态下运行,才能比较哪个算法速度更快。

    2)事前估计法

    通过分析某个算法的时间复杂度来判断哪个算法更优

    时间频度

    基本介绍:

    时间频度:一个算法话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,它花费时间就越多,一个算法中的语句执行次数称为语句频度或者时间频度,记为T(n).

    算法的时间复杂度可以忽略常数项。

    算法的时间复杂度可以忽略低次项。

    算法的时间复杂度可以忽略系数项。

    时间复杂度

    1.一般情况下,算法中的基本语句操作的语句重复执行次数是问题规模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趋于无穷大时,T(n)/f(n)的极限值为不等于0的常熟,则称f(n)是T(n)的同数量级函数,记作T(n)=O(T(n))称O(T(n))为算法的渐进时间复杂度,简称时间复杂度

    2.T(n)不同,但时间复杂度可能相同

    3.计算时间复杂度的方法:

    用常熟1代替运行时间中的所有加法常数,修改后的运行次数函数中,只保留最高阶项去除最高阶项的系数

    常见的时间复杂度

    常见的算法时间复杂度从小到大依次为O(1)<O(log2n)<O(n)<O(nlogN)<O(n²)<O(n³)<O(nk)<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,算法的执行效率越来越低从图中我们可以看见,我们应该尽可能避免使用指数阶的算法

    1)常数阶O(1)

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

    说明:无论代码执行了多少行,只要没有循环等复杂结构,那么这个代码的时间复杂度就行O(1)

    2)对数 阶O(log2n)

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

    说明:在while循环里面,每次都将i称2,i距离n越来越近,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=log2n也就是说当循环log2n次以后这个代码就结束啦,因此这个代码的时间复杂度为O(log2n),O(log2n)这个时间是根据代码变化的i=i*3则是O(log3n)

    3)线性阶O(n)

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

    说明:for循环里面的的代码会执行n遍,因此它消耗的时间是随着n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。

    4)线性对数阶O(nlogN)

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

    说明: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,它的时间复杂度就是n*O(logn),也就是O(logN)

    平方阶O(n²) for(x=1;i<=n;x++){ for(i=1; i<=n; i++){ j=i; j++; } }

    说明:平方阶O(n²)就更容易理解了,如果遍O(n)的代码再嵌套循环一遍,它的时间复杂度就是O(n²),这段代码其实就是嵌套了2层循环,它的时间复杂度就是O(n*n),即O(n²)如果将其中的一层循环的n改成m,那它的时间复杂度就变成了O(m *n)

    6)立方阶O(n³),k次方阶O(n^k)

    说明:参考上面的O(n²)去理解就好了,O(n³)相当于三层n循环,其他的类似

    算法的时间复杂度

    平均时间复杂度和最坏时间复杂度

    1)平均时间复杂度是指所有可能的输入实例均以等概率出现的情况下,该算法的运行时间

    2)最坏的情况下的时间复杂度称为最坏时间复杂度,一般讨论的时间复杂度均是最坏的情况下的时间复杂度。这样做的原因是:最坏情况下的时间复杂度是算法在任何输入实例上运行时间的界限,这就保证了算法的运行时间不会比最坏情况更长

    3)平均时间复杂度和最坏时间复杂度是否一致,和算法有关

    排序法平均时间最差情形稳定度额外空间备注冒泡O(n²)O(n²)稳定O(1)n小时比较好交换O(n²)O(n²)不稳定O(1)n小时比较好选择O(n²)O(n²)不稳定O(1)n小时比较好插入O(n²)O(n²)稳定O(1)大部分已排序时比较好基数O(logrB)O(logrB)稳定O(n)B是真数(0-9)R是基数(个十百)ShellO(nlogn)O(nlogn)不稳定O(1)s是所选分组快速O(nlogn)O(n²)不稳定O(nlogn)n大时比较好归并O(nlogn)O(nlogn)稳定O(1)n大时比较好堆O(nlogn)O(nlogn)不稳定O(1)n大时比较好

    算法的空间复杂度

    基本介绍

    1)类似于时间复杂度的讨论,一个算法的空间复杂度(Space Complexity)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

    2)空间复杂度(Speace 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,有的算法需要占用的临时工作单元数于解决问的规模n有关,它随着n的增大而增大,当n比较大是,将占用较多的存储单元,例如快速排序和归并排序算法就属于这种情况

    3)在做算法分析是,主要讨论的是时间复杂度,从用户体验上看,更看重程序执行的速度,一些缓存产品(Redis ,memcache)和算法(基数排序)本质就是用空间换时间。

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