JavaScript 演算法之複雜度分析

snowLu發表於2019-03-04
JavaScript演算法複雜度

新的一年，先給大家整理分享一個簡單而又重要的知識點：時間複雜度和空間複雜度。因為在前幾篇文章中，提到了時間複雜度，也許有些小夥伴還不清楚。（ps：希望在我上篇文章留言的那位小夥伴別失望哦，慢慢來。）

先給大家出個思考題，題目：sum = 1+2+3+…+n ，計算 sum 的值。

為什麼需要複雜度分析

  • 學習資料結構和演算法就是為了解“快”和“省”的問題，也就是如何設計你的程式碼才能使運算效率更快，佔用空間更小。那如何來計算程式碼執行效率呢？這裡就會用到複雜度分析。
  • 雖然我們可以用程式碼準確的計算出執行時間，但是這也會有很多侷限性。
  • 資料規模的不同會直接影響到測試結果。比如說同一個排序演算法，排序順序不一樣，那麼最後的計算效率的結果也會不一樣；如果恰好已經是排序好的了陣列，那麼執行時間就會更短。又比如說如果資料規模比較小的話，測試結果可能也無法反應演算法的效能。
  • 測試的環境不同也會影響到測試結果。比如說同一套程式碼分別在 i3 和 i7 處理器上進行測試，那麼 i7 上的測試時間肯定會比 i3 上的短。

所以需要一個不用準確的測試結果來衡量，就可以粗略地估計程式碼執行時間的方法。這就是複雜度分析。

大 O 複雜度表示法

以一個例子開始，請估算下面程式碼的執行時間

function total(n) { // 1
      var sum = 0; // 2
      for (var i = 0; i < n; i++) { // 3
        sum += i; // 4
      } //5 
    } //6
複製程式碼

我們假設每行程式碼執行的時間都一樣，記做 t，那麼上面的函式中的第 2 行需要 1 個 t 的時間，第 3 行 和 第 4 行分別需要 n 個 t 的時間，那麼這段程式碼總的執行時間為 (2n+1)*t。

那麼按照上面的分析方法，請估算下面程式碼的執行時間

 function total(n) { // 1
      var sum = 0; // 2
      for (var i = 0; i < n; i++) { // 3 
        for (var j = 0; j < n; j++) { // 4
          sum = sum + i + j; // 5
        }
      }
    }
複製程式碼

第 2 行需要一個 t 的時間，第 3 行需要 n 個 t 的時間，第 4 行和第 5 行分別需要 n2 個的時間，那麼這段程式碼總的執行時間為 (2n2+n+1)*t 的時間。

從數學角度來看，我們可以得出個規律：程式碼的總執行時間 T(n) 與每行程式碼的執行次數成正比

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

在這個公式中，T(n) 表示程式碼的執行時間；n 表示資料規模的大小；f(n) 表示每行程式碼執行的次數總和；O 表示程式碼的執行時間 T(n) 與 f(n) 表示式成正比。

所以上邊兩個函式的執行時間可以標記為 T(n) = O(2n+1) 和 T(n) = O(2n2+n+1)。這就是大 O 時間複雜度表示法，它不代表程式碼真正的執行時間，而是表示程式碼隨資料規模增長的變化趨勢，簡稱時間複雜度。

而且當 n 很大時，我們可以忽略常數項，只保留一個最大量級即可。所以上邊的程式碼執行時間可以簡單標記為 T(n) = O(n) 和 T(n) = O(n2)。

時間複雜度分析

那如何分析一段程式碼的時間複雜度呢，可以利用下面的幾個方法

1.只關注迴圈執行次數最多的一段程式碼

我們在分析一段程式碼的時間複雜度時，我們只要關注迴圈次數最多的那一段程式碼就 ok 了。
比如說在第一段程式碼中

function total(n) { // 1
      var sum = 0; // 2
      for (var i = 0; i < n; i++) { // 3
        sum += i; // 4
      } //5 
    } //6
複製程式碼

只有第 3 行和第 4 行是執行次數最多的，分別執行了 n 次，那麼忽略常數項，所以此段程式碼的時間複雜度就是 O(n)。

2.加法法則：總複雜度等於量級最大的那段程式碼的複雜度。

比如說，看下面這段程式碼的時間複雜度。

function total(n) { 
      // 第一個 for 迴圈
      var sum1 = 0; 
      for (var i = 0; i < n; i++) {
        for (var j = 0; j < n; j++) {
          sum1 = sum1 + i + j; 
        }
      }
      // 第二個 for 迴圈
      var sum2 = 0;
      for(var i=0;i<1000;i++) {
        sum2 = sum2 + i;
      }
      // 第三個 for 迴圈
      var sum3 = 0;
      for (var i = 0; i < n; i++) {
        sum3 = sum3 + i;
      }
    }
複製程式碼

我們先分別分析每段 for 迴圈的時間複雜度，再取他們中最大的量級來作為整段程式碼的時間複雜度。

第一段 for 迴圈的時間複雜度為 O(n2)。

第二段 for 迴圈執行了 1000 次，是個常數量級，儘管對程式碼的執行時間會有影響，但是當 n 無限大的時候，就可以忽略。因為它本身對增長趨勢沒有影響，所以這段程式碼的時間複雜度可以忽略。

第三段 for 迴圈的時間複雜度為 O(n)。

總上，取最大量級，所以整段程式碼的時間複雜度為 O(n2)。

3.乘法法則：巢狀程式碼的複雜度等於巢狀內外程式碼複雜度的乘積。

比如說，看下面這段程式碼的時間複雜度

  function f(i) {
      var sum = 0;
      for (var j = 0; j < i; j++) {
        sum += i;
      }
      return sum;
    }
    function total(n) {
      var res = 0;
      for (var i = 0; i < n; i++) {
        res = res + f(i); // 呼叫 f 函式
      }
    }
複製程式碼

單獨看 total 函式的時間複雜度就是為 T1(n)=O(n)，但是考慮到 f 函式的時間複雜度也為 T2(n)=O(n)。
所以整段程式碼的時間複雜度為 T(n) = T1(n) * T2(n) = O(n*n)=O(n2)。

幾種常見的時間複雜度分析

只看最高量級的複雜度，下圖中效率是遞減的

JavaScript 演算法之複雜度分析

如上圖可以粗略的分為兩類，多項式量級和非多項式量級。其中，非多項式量級只有兩個：O(2n) 和 O(n!)
對應的增長率如下圖所示

JavaScript 演算法之複雜度分析

當資料規模 n 增長時，非多項式量級的執行時間就會急劇增加，所以，非多項式量級的程式碼演算法是非常低效的演算法。

1. O(1)

O(1) 只是常量級時間複雜度表示法，並不是程式碼只有一行，比如說下面這段程式碼

function total() {
      var sum = 0;
      for(var i=0;i<100;i++) {
        sum += i;
      }
    }
複製程式碼

雖然有這麼多行，即使 for 迴圈執行了 100 次，但是程式碼的執行時間不隨 n 的增大而增長，所以這樣的程式碼複雜度就為 O(1)。

2. O(logn)、O(nlogn)

對數階時間複雜度的常見程式碼如下

 function total1(n) {
      var sum = 0;
      var i = 1;
      while (i <= n) {
        sum += i;
        i = i * 2;
      }
    }
    function total2(n) {
      var sum = 0;
      for (var i = 1; i <= n; i = i * 2) {
        sum += i;
      }
    }
複製程式碼

上面兩個函式都有一個相同點，變數 i 從 1 開始取值，每迴圈一次乘以 2，當大於 n 時，迴圈結束。實際上，i 的取值就是一個等比數列，就像下面這樣

20 21 22 … 2k… 2x =n;

所以只要知道 x 的值，就可以知道這兩個函式的執行次數了。那由 2x = n 可以得出 x = log2n，所以這兩個函式的時間複雜度為 O(log2n)。

再看下面兩個函式的時間複雜度

 function total1(n) {
      var sum = 0;
      var i = 1;
      while (i <= n) {
        sum += i;
        i = i * 3;
      }
    }
    function total2(n) {
      var sum = 0;
      for (var i = 1; i <= n; i = i * 3) {
        sum += i;
      }
    }
複製程式碼

由上可以得知，這兩個函式的時間複雜度為 O(log3n) 。

由於我們可以忽略常數，也可以忽略對數中的底數，所以在對數階複雜度中，統一表示為 O(logn)；那 O(nlogn) 的含義就很明確了，時間複雜度 為O(logn) 的程式碼執行了 n 次。

3. O(m+n)、O(m*n)

再來看一段特殊的程式碼時間複雜度，比如說

 function total(m,n) {
      var sum1 = 0;
      for (var i = 0; i < n; i++) {
        sum1 += i;
      }
      var sum2 = 0;
      for (var i = 0; i < m; i++) {
        sum2 += i;
      }
      return sum1 + sum2;
    }
複製程式碼

因為我們無法評估 m 和 n 誰的量級比較大，所以就不能忽略掉其中一個，這個函式的複雜度是有兩個資料的量級來決定的，所以此函式的時間複雜度為 O(m+n)；那麼 O(m*n) 的時間複雜度類似。

空間複雜度分析

空間複雜度的話和時間複雜度類似推算即可。
所謂空間複雜度就是表示演算法的儲存空間和資料規模之間的關係。

比如說分析下面程式碼的空間複雜度：

function initArr(n) {
      var arr = [];
      for (var i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i;
      }
    }
複製程式碼

根據時間複雜度的推算，忽略掉常數量級，每次陣列賦值都會申請一個空間儲存變數，所以此函式的空間複雜度為 O(n)。

常見的空間複雜度只有 O(1)、O(n)、O(n2)。其他的話很少會用到。

思考題解答

現在我們回到開始的思考題上，程式碼實現很簡單：

function total(n) {
      var sum = 0;
      for (var i = 1; i <= n; i++) {
        sum += i;
      }
      return sum;
    }
複製程式碼

此函式的時間複雜度你現在應該很容易就能看出來了，為 O(n)。

我覺得這個時間複雜度有點高了，我想要 O(1) 的時間複雜度函式來實現這個演算法，可以嗎？

可以的，小數學神通高斯教會我們一招，如下

function total(n) {
      var sum = n*(n+1)/2
      return sum;
    }
複製程式碼

此函式的時間複雜度僅僅為 O(1)，在資料規模比較龐大的時候，下面的函式是不是明顯比上面的函式運算效率更高呢。

總結

複雜度也叫漸進複雜度，包括時間複雜度和空間複雜度，一個表示執行的快慢，一個表示記憶體的消耗，用來分析演算法執行效率與資料規模之間的增長關係，可以粗略的表示，越高階複雜度的演算法，執行效率越低。

學習了複雜度分析後，是不是能避免寫出效率低的程式碼呢？來給你的程式碼做個分析吧。

重點

如果有錯誤或者錯別字，還請給我留言指出，謝謝。

我們下期見。

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