【数据结构与算法——TypeScript】算法的复杂度分析、 数组和链表的对比

【数据结构与算法——TypeScript】

算法的复杂度分析

什么是算法复杂度(现实案例)？

❤️‍ 前面已经解释了什么是算法？ 其实就是解决问题的一系列步骤操作、逻辑。
✅ 对于同一个问题，我们往往有很多种解决思路和方法，也就是可以采用不同的算法。

• 举个例子（现实例子）：在一个庞大的图书馆中，我们需要找一本书

  • 在图书已经按照某种方式摆好的情况下（数据结构是固定的）

• 方式一：顺序查找

  • 一本一本找，直到找到想要的书；

• 方式二：先分类找，分类中找这本书

  • 先找到分类，在分类中再顺序或某种方式查找

• 方式三：找到检索电脑，查找书的位置，直到找到

  • 图书馆通常有自己的图书管理系统
  • 利用图书管理系统先找到书的位置，再直接过去找到

什么是算法复杂度(程序案例)？

在具体一个程序中的案例：让我们用两种不同算法查找数组中（数组有序）给定元素的复杂度

• ✅ 方式一：顺序查找
  • 这种算法 从头到尾遍历整个数组，依次比较每个元素和给定元素的值
  • 如果 找到相等的元素，则返回下标；如果 遍历完整个数组都没找到，则返回 -1。

  /**
  - 顺序查找
  - @param array 查找的数组
  - @param 查找的元素
  - @returns 查找到的索引，未找到返回-1
  */
  function sequentSearch(array: number[], num: number) {
  for (let i = 0; i < array.length; i++) {
      const element = array[i];
      if (element === num) return i;
  }
  return -1;
  }
  const index = sequentSearch([1, 3, 5, 10, 100, 222, 333, 334, 555, 556], 222);
  console.log(index);

• ✅ 方式二：二分查找

  • 这种算法假设数组是有序的，每次 选择数组中间的元素与给定元素进行比较。
  • 如果 相等，则返回下标；如果 给定元素比中间元素小，则在数组的左半部分继续查找；
  • 如果 给定元素比中间大，则在数组的右半部分继续查找；
  • 这样 每次查找都会将查找范围减半，直到找到想等的元素或者查找范围为空。

  

  function binarySearch(array: number[], num: number) {
  // 1. 定义左右索引
  let left = 0;
  let right = array.length - 1;
  
  // 2.开始查找
  while (left <= right) {
      let mid = Math.floor((left + right) / 2);
      const midNum = array[mid];
      if (midNum === num) {
      return mid;
      } else if (midNum < num) {
      left = mid + 1;
      } else {
      right = mid - 1;
      }
  }
  return -1;
  }
  const index = binarySearch([1, 3, 5, 10, 100, 222, 333, 334, 555, 556], 222);
  console.log(index);
  export {};
  

测试顺序查找和二分查找的代码

• 使用工具： npm install hy-algokit

import sequentSearch from './01_查找算法-顺序查找';
import binarySearch from './02_查找算法-二分查找';
import { testOrderSearchEfficiency } from 'hy-algokit';
testOrderSearchEfficiency(sequentSearch);
testOrderSearchEfficiency(binarySearch);

• ❤️‍ 顺序查找算法的时间复杂度是 O(n)

• ❤️‍ 二分查找算法的时间复杂度是 O(log n)

大O表示法(Big O notation)

• 大O表示法(Big O notation)英文翻译为大O符号，中文通常翻译为大O表示法（标记法）。
• 大O符号在分析 算法效率的时候非常有用。
  • 举例：解决 **一个规模为n的问题所花费的时间（或需要步骤的数目）可以表示为：
    • T(n)= 4n⌃2^ - 2n + 2**
    • 当 n 增大 时, n^2^ 项开始 占据主导地位，其他各项可以被忽略。
  • : 当 n = 500

    • ✓ 4n² 项是 2n 项的 1000倍大，因此在大多数场合下， 省略后者对表达式的值的影响将是乐意忽略不计的。

    • 进一步，如果我们与任一其他级的表达式比较， n²的系数也是无关紧要的的。

    • 这样，针对第一个例子， T(n)= 4 n² - 2n + 2,大O符号就记下剩余的部分，写作：

      • T(n) ∈ O(n²)

        或者

      • T(n) = O(n²)

• ❣️ 我们就说该算法 具有n² 阶（平方阶）的时间复杂度，表示为O(n²)。

常见的对数阶

• 常用的函数阶

符号	名称
O(1)	常数(阶、下同)
O(log n)	对数
O(n)	线性、次线性
O(n log n)	线性对数、或者对数线性、拟线性、超线性
O(n2)	平方
O(n2) , Interger(c > 1)	多项式，有时叫作‘代数’（阶）
O(cn)	指数，有时叫作“几何”（阶）

空间复杂度

• 空间复杂度指的是，程序运行过程中所需要的额外存储空间。

  • 空间复杂度 也可以用大O表示法来表示；
  • **空间复杂度的计算方法与时间复杂度类似，**通常需要分析程序中 需要额外分配的内存空间，如数组、变量、对象、递归调用等。

• ：举例

  • 对于一个简单的 递归算法来说，每次调用会在内存中分配新的栈帧，这些栈帧占用了额外的空间。
    • 因此，该算法的空间复杂度是 O(n),其中n是递归深度
  • 而对于 迭代算法来说，在 **每次迭代中不需要分配额外的空间，**因此 其空间复杂度为O(1)

• 当空间复杂度很大时，可能会导致内存不足，程序崩溃。

• 在平时进行算法优化时，我们通常会进行如下考虑：

  • 使用尽量少的空间（优化空间复杂度）
  • 使用尽量少的时间（优化时间复杂度）
  • 特定情况下：使用 空间换时间或使用 时间换空间。

数组和链表的对比

• 使用大O表示法来对比一下数组和链表的时间复杂度（增删改查）

Data Structure	Access	Search	Insertion	Deletion
Array	O(1)	O(N)	O(N)	O(N)
Linked List	O(N)	O(N)	O(1)	O(1)

• 数组是一种连续的存储结构，通过下标可以直接访问数组中的任意元素。

  • 时间复杂度： 对于数组，随机访问时间复杂度为O(1),插入和删除操作的时间复杂度为O(n)。
  • 空间复杂度：数组需要连续的存储空间，空间复杂度为 O(n)

• 链表，是一种链式存储结构，通过指针链接起来的节点组成，访问链表中元素需要从头结点开始遍历

  • **时间复杂度：**对于链表，随机访问时间复杂度为O(n)，插入和删除的时间复杂度为O(1)
  • **空间复杂度：**链表需要为每个节点分配存储空间，空间复杂度为O(n)

• 在实际开发中，选择使用数组还是链表需要根据具体应用场景来决定

  • 如果数据量不大，且需要频繁随机访问元素，使用数组可能会更好
  • 如果数据量很大，或者需要频繁插入和删除元素，使用链表可能会更好

【数据结构与算法——TypeScript】系列笔记：
1. 【数据结构与算法——TypeScript】数组、栈、队列、链表