数据结构第一章复杂度的认识
一.复杂度的概念
1.复杂度的分类
在数据结构这门课程中，复杂度分为时间复杂度和空间复杂度。两者对应着不同的计算方法，下面我将一一讲解。
2.复杂度的理解
时间复杂度：该复杂度用来衡量算法的时间效率，并不是代码的具体运行时间。
空间复杂度：该复杂度用来衡量算法的空间效率，并不是计算代码占用多少字节的空间。
目前比较看重时间复杂度，因为目前市面上对节省空间的需求越来越少，因此时间效率便成为了看重的目标。
二.时间复杂度
1.计算方法
时间复杂度的计算方法是计算该算法的大概执行次数（估算）。
2.引例
请计算下列代码的时间复杂度
void Func1 (int N)
{int count=0;for(int i=0 ; i<N ; i++)//外循环执行N次{for(int j=0; j<N; j++)//内循环执行N次{count++;}}for(int k=0;k<2*N;k++)//此循环执行2*N次{count++;}int M=0;while(M--)//这个while循环执行M次，也就是10次。{count++;}printf("%d",count);
}上述代码的具体执行次数为N*N+2*N+10，并且随着N的增大该代码执行的次数也随之增大。且表达式中的N^2对执行次数影响最大。
因为时间复杂度的计算是估算，应该选择表达式中影响最大的那一项，所以该代码的时间复杂度为O(N^2)。（括号内是N平方的意思）
上面时间复杂度的表达手法被叫做大O的渐进表示法，主要是由一个大写的字母O和估算出来的时间复杂度构成，下面来说一下这个大O的渐进表示法。
3.大O的渐进表示法
（1）常用数字1取代运行时间复杂度表达式中的所有常数项。
（2）在修改后的运行次数函数中，只保留最高阶的那一项。
（3）如果最高项的系数不为1，应该把它的系数换成1。
这样得出的最终结果便是算法的复杂度。
4.练习
（1）写出函数Func2的时间复杂度
void Func2 (int N){int count =0;for(int k=0; k<2*N; k++)//循环了2*N次count++;int M=10;while(M--)//while循环了M次，也就是10次。count++;printf("%d",count);}上述代码的具体执行次数为2*N+10，留住最高阶项，同时把最高项的系数换为1。得到了该算法的时间复杂度为O（N）。
（2）写出函数Func3的时间复杂度
void Func3 (int N)
{int count=0;for(int k=0; k<M;k++)//该循环了M次count++;for(int j=0; j<N; j++)//该循环了N次count++:printf("%d",count);
}上述代码的具体执行次数为M+N，所以上述代码的时间复杂度为O（M+N）。
注意：时间复杂度最后得出的结果不一定只有一个未知量，如上算法的时间复杂度便有两个未知量：M和N。
（3）写出函数Func4的时间复杂度
void Func4 (int N)
{int count =0;for(int k=0;k<100;k++)//该循环了100次count++;printf("%d",count);
}上述代码的具体执行次数为100。根据大0渐进法的定义第一条：用常数1替换掉所有的时间表达式中的常数项。所以该算法的时间复杂度为O（1）。
注意：如果时间复杂度为O（1），则说明该算法随着输入的N变大，时间效率是固定不变的。这也暗示O（1）是时间效率最高的代码！
（4）写出函数strchr的时间复杂度
const char* strchr (const char* str, char character)
{while(*str !='\0')//如果*str为'\0'，也就是循环到*str字符串结尾的时候，终止循环。{if(*str == character)//如果此时的*str和目标数据character相同return str;//就返回这个*str的地址str++;//如果不相等，就继续循环，一直到循环终止为止}return NULL;//如果遍历了整个字符串，依然没有找到，就返回NULL。
}上述代码的作用是：找到一个字符串中需要的字符并返回，如若没找到则返回NULL。
该代码的具体执行次数应该分情况讨论，（先假设字符串的长度为N）
最好的情况就是第1次就找到了，具体的执行次数就是1；
最坏的情况就是遍历了整个字符串都没有找到，具体的执行次数就是N。
不好不坏的情况（平均情况）就是遍历字符串到一半的时候找到了，具体的执行次数为N/2。
如上，便是所有情况下，算法的具体执行次数。那么我们应该选择哪一个呢？？应该选择第一种：报喜不报忧，还是平均的情况呢？其实都不是。我们在计算时间复杂度时，如果遇到此类型需要分类讨论的题目时，我们应该使用最坏的情况。（只要最坏的情况能让别人接受，那么该算法就算通关了！！）
（5）写出函数BinarySearch的时间复杂度
int BinarySearch (int *a, int n,int x)
{assert(a);//判断a地址是否正确，正确则程序继续，错误则打印错误。int begin=0;int end=n;while(begin<end)//当begin大于等于end时循环终止{int mid= begin +((end-begin)>>1);//>>为右移操作符，a>>1的具体效果是a除以2.if(a[mid]<x)begin= mid+1;else if(a[mid]>x)end =mid;else return mid;}return -1;
}上述代码是一个二分查找的C语言代码，主要作用是在一个数组中找到一个数。
假设数组长度为N。
最好的情况是第一次就找到了，该情况的具体执行次数是1。
平均情况是遍历数组到一半的时候找到了目标数，此时该情况的具体执行次数为N/2。
最坏的情况就是一直在折半查找，折半到最后一步才找到（或者折半到最后一次也没有找到），此时，该情况的具体执行次数为（以2为底N的对数）。解析：每次折半都会消失数组中一半的数据，等到消失到只有一个数据时，就结束了。假设最坏情况下的执行次数为x，那么2^x=N，所以最坏情况下的具体执行次数x为（以2为底N的对数）。
最后得出该函数的时间复杂度为O（logN）。一般情况下会省略底数，原因也很简单，计算机键盘不好输出对数函数的形式，所以省略底数。
（6）写出Factorical函数的时间复杂度
longlong Factorical (int N)
{return N<2?N:Factorical(N-1)*N
}上述代码运行递归的手法，自己调用自己，完成了阶乘的计算。具体的执行次数为N次，所以该算法的时间复杂度为O（1）。
5.算法效率排行
在写代码的时候，不同的代码有着不同的时间复杂度，因为时间复杂度是用来计算代码运行的时间效率的，所以也可以根据时间复杂度来得知该代码的效率。下面给出不同时间复杂度的效率排行。
O(1)>O(logN)>O(N)>O(N*logN)>O(N^2)>O(2*N)>O(N!)
三.空间复杂度
1.概念
空间复杂度：对一个算法在运行过程中临时占用存储空间大小的量度，并不是计算具体占用多少字节的空间，而是计算变量的个数。（同样满足大O渐进表示法）
2.练习
（1）写出BubbleSort函数的空间复杂度
void BubbleSort (int *a,int n)
{assert(a);//判断a的地址是否正确，正确就程序继续，错误则程序终止并给出错误信息。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])//如果前者大于后者，则交换两者的顺序{Swap(&a[i-1],&a[i]);exchange=1;}}if(exchange==0)break;}
}上述代码一共创建了5个变量，所以该函数的空间复杂度为O（1）
需要注意的是，循环创建的变量一直在重复利用他同一块空间，不用重复计算，也就是说：时间是累积的，空间是不累积的。
（2）写出Fibnacci函数的空间复杂度
longlong *Fibnacci (size_t n)//1
{if(n==0)return NULL;longlong *fibarray=(longlong *)malloc ((n+1)*size of(longlong));//fibarray为一个，后面又申请了N+1个fibarray[0]=0;//1fibarray[1]=1;//1for(int i=2; i<=n; i++)//1{fibarray [i]=fibbarray[i-1] +fibarray[i-2];}return fibarray;
}上述代码一共开辟了N+6个变量，根据大O的渐进表示法，该函数的空间复杂度为O（N）。
（3）写出Factorical函数的空间复杂度
longlong Factorical (size_t N)
{return N<2?N:Factorical(N-1)*N;
}上述代码是一个递归函数 ，自己递归调用自己 ，每次递归调用都会建立一个栈帧，每次栈帧的创建都会使用一个常数空间。上面的算法，每次建立栈帧会创建一个变量，所以具体创建的变量的个数就等于创建的栈桢数（递归调用函数的次数），所以上述代码的空间复杂度为O（N）。
四.OJ练习题
1.题目一
题目描述：有一个数组nums包括从0到n的所有整数，但是里面缺一个数字，请以时间复杂度为O（1）的代码找出这个数。
示例：输入：[9，6，4，2，3，5，7，0，1]
输出：8
思路一：因为给出的数组是乱序，所以先给数组进行排序。排好顺序之后，遍历数组，找出缺少的那个数字。但是这个思路的时间复杂度不满足题意，舍去！！
下面是思路一的代码实现：
#include <stdio.h>// 写出swap函数，使用传址调用
void swap(int* a, int* b)
{int tmp = *a;*a = *b;*b = tmp;
}int main()
{int nums[9];for (int i = 0; i < 9; i++){scanf("%d", &nums[i]);}// 冒泡排序算法for (int j = 0; j < 8; j++) {for (int k = 0; k < 8 - j; k++) {if (nums[k] > nums[k + 1]) {swap(&nums[k], &nums[k + 1]);}}}// 查找并输出缺失的数字int flag = 0;for (int k = 0; k <= 9; k++) { // 检查0-9的数字flag = 0;for (int i = 0; i < 9; i++){if (nums[i] == k) {flag = 1;break; // 找到后可以提前退出内层循环}}if (flag == 0) {printf("%d ", k); // 输出缺失的数字}}return 0;
}思路二：将给出的数组全部加起来记作结果一，然后把数字0-N全部加起来记作为结果二。然后用结果二减去结果一就是缺失的那个数字。
思路三：将给出的数组和0-N的所有数据按位异或，最后得到的答案就是缺失的那个数字。
下面是思路三的代码实践：
int missingNumber(int *nums,int numSize)
{int x=0;for(int i=0;i<numSize;i++){x=x^nums[i];}for(int j=0;j<numSize;j++){x=x^j;}return x;
}2.题目二
题目描述：给定一个数组，将数组中的元素向右移动k个位置，其中k>=0。（空间复杂度控制在O（1）。）
示例：输入：nums=[1,2,3,4,5,6,7] k=3
输出： [5,6,7,1,2,3,4]
解释：向右旋转第一步：[7,1,2,3,4,5,6]
向右旋转第二步：[6,7,1,2,3,4,5]
向右旋转第三步：[5,6,7,1,2,3,4]
思路一：旋转k次，每次把最后一个元素放到第一位，此算法的缺点是当数组中的数据过于庞大，时间复杂度就会变大，所以次算法不推荐。
下面是思路一的代码实践：
void rotate (int *nums,int numsSize,int k)
{while(k--){int tmp=nums[numsSize-1];for(int end=numsSize-2;end>=0;end--){nums[end+1]=nums[end]}nums[0]=tmp;}
}
思路二：创建一个新的数组，让旧数组后k个值赋值到新数组的前k位置上，让旧数组前k个元素赋值到新数组的后k个位置上。最后把新数组整体赋值给旧数组上。
思路三：让后k个元素逆置一次，然后让前n-k个元素逆置一次，最终让整个数组逆置一次，便能神奇地得到结果数组。
以下是思路三的代码实践：
void Reverse (int *nums,int left,int right)//写一个逆置函数
{while(left<right){int tmp=nums[left];nums[left]=nums[right];nums[right]=tmp;left++;right--;}
}
void ROtate(int *nums,int numsSize,int k)
{if(k>=numsSize)//如果k大于数组的大小，对k进行处理，而后程序继续k%=numsSize;Reverse(nums,numsSize-k,numsSize-1);//分三次逆置，得到目标数组Reverse(nums,0,numsSize-k-1);Reverse(nums,0,numsSize-1);
}