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所属专栏：数据结构与算法
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前言
随着应用程序变得越来越复杂和数据越来越丰富，几百万、几十亿甚至几百亿的数据就会出现，而对这么大对数据进行搜索、插入或者排序等的操作就越来越慢，人们为了解决这些问题，提高对数据的管理效率，提出了一门学科即：数据结构与算法
1. 什么是数据结构
数据结构(Data Structure)是计算机存储、组织数据的方式，指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。
下标是常见的数据结构:
| 名称 | 定义 |
|---|---|
| 数组（Array） | 数组是一种聚合数据类型，它是将具有相同类型的若干变量有序地组织在一起的集合。 |
| 链表（Linked List） | 链表是一种数据元素按照链式存储结构进行存储的数据结构，这种存储结构具有在物理上存在非连续的特点。 |
| 栈（Stack） | 栈是一种特殊的线性表，它只能在一个表的一个固定端进行数据结点的插入和删除操作 |
| 队列（Queue） | 队列和栈类似，也是一种特殊的线性表。和栈不同的是，队列只允许在表的一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作。 |
| 树（Tree） | 树是典型的非线性结构，它是包括，2 个结点的有穷集合 K |
| 堆（Heap） | 堆是一种特殊的树形数据结构，一般讨论的堆都是二叉堆。 |
| 图（Graph） | 图是另一种非线性数据结构。在图结构中，数据结点一般称为顶点，而边是顶点的有序偶对 |
2. 什么是算法
算法(Algorithm):就是定义良好的计算过程，他取一个或一组的值为输入，并产生出一个或一组值作为输出。简单来说算法就是一系列的计算步骤，用来将输入数据转化成输出结果。
算法一般分为：排序，递归与分治，回溯，DP，贪心，搜索算法
- 算法往往数学密切相关，就如数学题一样，每道数学题都有不同的解法，算法也是同理。
3. 复杂度分析
3.1 算法评估
我们在进行算法分析时，常常需要完成两个目标。一个是找出问题的解决方法，另一个就是找到问题的最优解。而为了找出最优解，我们就需要从两个维度分析：
- 时间效率：算法运行的快慢
- 空间效率：算法所占空间的大小
3.2 评估方法
评估时间的方法主要分为两种，一种是实验分析法，一种是理论分析法。
(1) 实验分析法
实验分析法简单来说就是将不同种算法输入同一台电脑，统计时间的快慢。但是这种方法有两大缺陷：
- 无法排查实验自身条件与环境的条件的影响：比如同一种算法在不同配置的电脑上的运算速度可能完全不同，甚至结果完全相反。我们很难排查所有情况。
- 成本太高：同一种算法可能在数据少时表现不明显，在数据多时速率较快
(2) 理论分析法
由于实验分析法的局限性，就有人提出了一种理论测评的方法，就是渐近复杂度分析(asymptotic complexity analysis)，简称复杂度分析。
这种方法体现算法运行所需的时间（空间）资源与输入数据大小之间的关系，能有效的反应算法的优劣。
4. 时间复杂度与空间复杂度
4.1 时间复杂度
一个算法所花费的时间与其中语句的执行次数成正比例，算法中的基本操作的执行次数，为算法的时间复杂度。
为了准确的表述一段代表所需时间，我们先假设赋值(=)与加号(+)所需时间为1ns，乘号(×)所需时间为2ns，打印所需为3ns。
让我们计算如下代码所需总时间：
int main()
{
int i = 1;//1ns
int n = 0;//1ns
scanf("%d", &n);
for (i = 0; i < n; i++)
{
printf("%d ", i);//3ns
}
return 0;
}
计算时间如下：
但是实际上统计每一项所需时间是不现实的，并且由于是理论分析，当n—>∞时，其余项皆可忽略，T(n)的数量级由最高阶决定。所以我们计算时间复杂度时，可以简化为两个步骤：
- 忽略除最高阶以外的所有项。
- 忽略所有系数。
而上述代码时间可以记为O(n)，这种方法被称为大O的渐进表示法。如果计算机结果全是常数，则记为O(1)。
- 并且计算复杂度时，有时候会出现不同情况的结果，这是应该以最坏的结果考虑。
4.2 空间复杂度
空间复杂度也是一个数学表达式，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 。空间复杂度的表示也遵循大O的渐进表示法
让我们计算一下冒泡排序的空间复杂度
// 计算BubbleSort的空间复杂度？
void BubbleSort(int* a, int n)
{
assert(a);
for (size_t end = n; end > 0; --end)
{
int exchange = 0;
for (size_t i = 1; i < end; ++i)
{
if (a[i - 1] > a[i])
{
Swap(&a[i - 1], &a[i]);
exchange = 1;
}
}
if (exchange == 0)
break;
}
}
- 通过观察我们可以看出，冒泡排序并没有开辟多余的空间，所以空间复杂度为O(1).
5. 复杂度分类
算法的复杂度有几个量级，表示如下：
- 从左到右复杂度依次递增，算法的缺点也就越明显
图示如下：
5.1 常数O(1)阶
常数阶是一种非常快速的算法，但是在实际应用中非常难实现
以下是一种时间复杂度与空间复杂度皆为O(1)的算法：
int main()
{
int a = 0;
int b = 1;
int c = a + b;
printf("两数之和为%d\n", c);
return 9;
}
5.2 对数阶O(logN)
对数阶是一种比较快的算法，它一般每次减少一半的数据。我们常用的二分查找算法的时间复杂度就为O(logN)
二分查找如下：
int binary_search(int nums[], int size, int target) //nums是数组，size是数组的大小，target是需要查找的值
{
int left = 0;
int right = size - 1; // 定义了target在左闭右闭的区间内，[left, right]
while (left <= right) { //当left == right时，区间[left, right]仍然有效
int middle = left + ((right - left) / 2);//等同于 (left + right) / 2，防止溢出
if (nums[middle] > target) {
right = middle - 1; //target在左区间，所以[left, middle - 1]
} else if (nums[middle] < target) {
left = middle + 1; //target在右区间，所以[middle + 1, right]
} else { //既不在左边，也不在右边，那就是找到答案了
return middle;
}
}
//没有找到目标值
return -1;
}
空间复杂度为O(logN)的算法，一般为分治算法
比如用递归实现二分算法：
int binary_search(int ar[], int low, int high, int key)
{
if(low > high)//查找不到
return -1;
int mid = (low+high)/2;
if(key == ar[mid])//查找到
return mid;
else if(key < ar[mid])
return Search(ar,low,mid-1,key);
else
return Search(ar,mid+1,high,key);
}
每一次执行递归都会对应开辟一个空间，也被称为栈帧。
5.3 线性阶O(N)
线性阶算法，时间复杂度与空间复杂度随着数量均匀变化。
遍历数组或者链表是常见的线性阶算法，以下为时间复杂度为O(N)的算法：
int main()
{
int n = 0;
int count = 0;
scanf("%d", &n);
for (int i = 0; i < n; i++)
{
count += i;//计算0~9的和
}
return 0;
}
以下为空间复杂度为O(N)的算法
int main()
{
int n = 0;
int count = 0;
scanf("%d", &n);
int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
//开辟大小为n的空间
if (p == NULL)
{
perror("malloc fail");
return -1;
}
free(p);
p=NULL;
return 0;
}
5.4 线性对数阶O(NlogN)
无论是时间复杂度还是空间复杂度，线性对数阶一般出现在嵌套循环中，即一层的复杂度为O(N)，另一层为O(logN)
比如说循环使用二分查找打印：
int binary_search(int nums[], int size, int target) //nums是数组，size是数组的大小，target是需要查找的值
{
int left = 0;
int right = size - 1; // 定义了target在左闭右闭的区间内，[left, right]
while (left <= right) { //当left == right时，区间[left, right]仍然有效
int middle = left + ((right - left) / 2);//等同于 (left + right) / 2，防止溢出
if (nums[middle] > target) {
right = middle - 1; //target在左区间，所以[left, middle - 1]
}
else if (nums[middle] < target) {
left = middle + 1; //target在右区间，所以[middle + 1, right]
}
else { //既不在左边，也不在右边，那就是找到答案了
printf("%d ", nums[middle]);
}
}
//没有找到目标值
return -1;
}
void func(int nums[], int size, int target)
{
for (int i = 0; i < size; i++)
{
binary_search(nums, size, target);
}
}
空间复杂度为O(NlogN)的算法，最常见的莫非归并排序
void Merge(int sourceArr[],int tempArr[], int startIndex, int midIndex, int endIndex){
int i = startIndex, j=midIndex+1, k = startIndex;
while(i!=midIndex+1 && j!=endIndex+1) {
if(sourceArr[i] > sourceArr[j])
tempArr[k++] = sourceArr[j++];
else
tempArr[k++] = sourceArr[i++];
}
while(i != midIndex+1)
tempArr[k++] = sourceArr[i++];
while(j != endIndex+1)
tempArr[k++] = sourceArr[j++];
for(i=startIndex; i<=endIndex; i++)
sourceArr[i] = tempArr[i];
}
//内部使用递归
void MergeSort(int sourceArr[], int tempArr[], int startIndex, int endIndex) {
int midIndex;
if(startIndex < endIndex) {
midIndex = startIndex + (endIndex-startIndex) / 2;//避免溢出int
MergeSort(sourceArr, tempArr, startIndex, midIndex);
MergeSort(sourceArr, tempArr, midIndex+1, endIndex);
Merge(sourceArr, tempArr, startIndex, midIndex, endIndex);
}
}
5.5 平方阶O(N2)
平方阶与线性对数阶相似，常见于嵌套循环中，每层循环的复杂度为O(N)
时间复杂度为O(N2)，最常见的就是冒泡排序
void BubbleSort(int* a, int n)
{
assert(a);
for (size_t end = n; end > 0; --end)
{
int exchange = 0;
for (size_t i = 1; i < end; ++i)
{
if (a[i - 1] > a[i])
{
Swap(&a[i - 1], &a[i]);
exchange = 1;
}
}
if (exchange == 0)
break;
}
}
计算过程如下;
空间复杂度为O(N2)，最简单的就是动态开辟。
{
int n = 0;
int count = 0;
scanf("%d", &n);
int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * n*n);
//开辟大小为n的空间
if (p == NULL)
{
perror("malloc fail");
return -1;
}
free(p);
p=NULL;
return 0;
}
5.6 指数阶O(2N)
指数阶的算法效率低，并不常用。
常见的时间复杂度为O(2N)的算法就是递归实现斐波拉契数列：
int Fib1(int n)
{
if (n == 1 || n == 2)
{
return 1;
}
else
{
return Fib1(n - 1) + Fib1(n - 2);
}
}
粗略估计
- 值得一提的是斐波拉契的空间复杂度为O(N)，因为在递归至最深处后往回归的过程中，后续空间都在销毁的空间上建立的，这样能大大提高空间的利用率。
空间复杂度为O(2N)的算法一般与树有关，比如建立满二叉树
TreeNode* buildTree(int n) {
if (n == 0)
return NULL;
TreeNode* root = newTreeNode(0);
root->left = buildTree(n - 1);
root->right = buildTree(n - 1);
return root;
}
5.7 阶乘阶O(N!)
阶乘阶的算法复杂度最高，几乎不会采用该类型的算法。
这是一个时间复杂度为阶乘阶O(N!)的算法
int func(int n)
{
if (n == 0)
return 1;
int count = 0;
for (int i = 0; i < n; i++)
{
count += func(n - 1);
}
return count;
}
示意图：
- 空间复杂度为阶乘阶O(N!)的算法并不常见，这里就不在一一列举。
