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2022-12-30 18:37:12 +08:00

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---
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# 空间复杂度
「空间复杂度 Space Complexity」统计 **算法使用内存空间随着数据量变大时的增长趋势** 。这个概念与时间复杂度很类似。
## 算法相关空间
算法运行中，使用的内存空间主要有以下几种：
- 「输入空间」用于存储算法的输入数据；
- 「暂存空间」用于存储算法运行中的变量、对象、函数上下文等数据；
- 「输出空间」用于存储算法的输出数据；
!!! tip
通常情况下，空间复杂度统计范围是「暂存空间」+「输出空间」。
暂存空间可分为三个部分：
- 「暂存数据」用于保存算法运行中的各种 **常量、变量、对象** 等。
- 「栈帧空间」用于保存调用函数的上下文数据。系统每次调用函数都会在栈的顶部创建一个栈帧，函数返回时，栈帧空间会被释放。
- 「指令空间」用于保存编译后的程序指令，**在实际统计中一般忽略不计**。
![space_types](space_complexity.assets/space_types.png)
<p align="center"> Fig. 算法使用的相关空间 </p>
=== "Java"
```java title=""
/* 类 */
class Node {
int val;
Node next;
Node(int x) { val = x; }
}
/* 函数 */
int function() {
// do something...
return 0;
}
int algorithm(int n) { // 输入数据
final int a = 0; // 暂存数据（常量）
int b = 0; // 暂存数据（变量）
Node node = new Node(0); // 暂存数据（对象）
int c = function(); // 栈帧空间（调用函数）
return a + b + c; // 输出数据
}
```
=== "C++"
```cpp title=""
/* 结构体 */
struct Node {
int val;
Node *next;
Node(int x) : val(x), next(nullptr) {}
};
/* 函数 */
int func() {
// do something...
return 0;
}
int algorithm(int n) { // 输入数据
const int a = 0; // 暂存数据（常量）
int b = 0; // 暂存数据（变量）
Node* node = new Node(0); // 暂存数据（对象）
int c = func(); // 栈帧空间（调用函数）
return a + b + c; // 输出数据
}
```
=== "Python"
```python title=""
""" 类 """
class Node:
def __init__(self, x):
self.val = x # 结点值
self.next = None # 指向下一结点的指针（引用）
""" 函数 """
def function():
# do something...
return 0
def algorithm(n): # 输入数据
b = 0 # 暂存数据（变量）
node = Node(0) # 暂存数据（对象）
c = function() # 栈帧空间（调用函数）
return a + b + c # 输出数据
```
=== "Go"
```go title=""
/* 结构体 */
type Node struct {
val int
next *Node
}
/* 创建 Node 结构体 */
func newNode(val int) *Node {
return &Node{val: val}
}
/* 函数 */
func function() int {
// do something...
return 0
}
func algorithm(n int) int { // 输入数据
const a = 0 // 暂存数据（常量）
b := 0 // 暂存数据（变量）
newNode(0) // 暂存数据（对象）
c := function() // 栈帧空间（调用函数）
return a + b + c // 输出数据
}
```
=== "JavaScript"
```js title=""
```
=== "TypeScript"
```typescript title=""
```
=== "C"
```c title=""
```
=== "C#"
```csharp title=""
/* 类 */
class Node
{
int val;
Node next;
Node(int x) { val = x; }
}
/* 函数 */
int function()
{
// do something...
return 0;
}
int algorithm(int n) // 输入数据
{
int a = 0; // 暂存数据（常量）
int b = 0; // 暂存数据（变量）
Node node = new Node(0); // 暂存数据（对象）
int c = function(); // 栈帧空间（调用函数）
return a + b + c; // 输出数据
}
```
## 推算方法
空间复杂度的推算方法和时间复杂度总体类似，只是从统计“计算操作数量”变为统计“使用空间大小”。与时间复杂度不同的是，**我们一般只关注「最差空间复杂度」**。这是因为内存空间是一个硬性要求，我们必须保证在所有输入数据下都有足够的内存空间预留。
**最差空间复杂度中的“最差”有两层含义**，分别为输入数据的最差分布、算法运行中的最差时间点。
- **以最差输入数据为准。** 当 $n < 10$ 时，空间复杂度为 $O(1)$ ；但是当 $n > 10$ 时，初始化的数组 `nums` 使用 $O(n)$ 空间；因此最差空间复杂度为 $O(n)$ ；
- **以算法运行过程中的峰值内存为准。** 程序在执行最后一行之前，使用 $O(1)$ 空间；当初始化数组 `nums` 时，程序使用 $O(n)$ 空间；因此最差空间复杂度为 $O(n)$ ；
=== "Java"
```java title=""
void algorithm(int n) {
int a = 0; // O(1)
int[] b = new int[10000]; // O(1)
if (n > 10)
int[] nums = new int[n]; // O(n)
}
```
=== "C++"
```cpp title=""
void algorithm(int n) {
int a = 0; // O(1)
vector<int> b(10000); // O(1)
if (n > 10)
vector<int> nums(n); // O(n)
}
```
=== "Python"
```python title=""
def algorithm(n):
a = 0 # O(1)
b = [0] * 10000 # O(1)
if n > 10:
nums = [0] * n # O(n)
```
=== "Go"
```go title=""
func algorithm(n int) {
a := 0 // O(1)
b := make([]int, 10000) // O(1)
var nums []int
if n > 10 {
nums := make([]int, n) // O(n)
}
fmt.Println(a, b, nums)
}
```
=== "JavaScript"
```js title=""
```
=== "TypeScript"
```typescript title=""
```
=== "C"
```c title=""
```
=== "C#"
```csharp title=""
void algorithm(int n)
{
int a = 0; // O(1)
int[] b = new int[10000]; // O(1)
if (n > 10)
{
int[] nums = new int[n]; // O(n)
}
}
```
**在递归函数中，需要注意统计栈帧空间。** 例如函数 `loop()`，在循环中调用了 $n$ 次 `function()` ，每轮中的 `function()` 都返回并释放了栈帧空间，因此空间复杂度仍为 $O(1)$ 。而递归函数 `recur()` 在运行中会同时存在 $n$ 个未返回的 `recur()` ，从而使用 $O(n)$ 的栈帧空间。
=== "Java"
```java title=""
int function() {
// do something
return 0;
}
/* 循环 O(1) */
void loop(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
function();
}
}
/* 递归 O(n) */
void recur(int n) {
if (n == 1) return;
return recur(n - 1);
}
```
=== "C++"
```cpp title=""
int func() {
// do something
return 0;
}
/* 循环 O(1) */
void loop(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
func();
}
}
/* 递归 O(n) */
void recur(int n) {
if (n == 1) return;
return recur(n - 1);
}
```
=== "Python"
```python title=""
def function():
# do something
return 0
""" 循环 O(1) """
def loop(n):
for _ in range(n):
function()
""" 递归 O(n) """
def recur(n):
if n == 1: return
return recur(n - 1)
```
=== "Go"
```go title=""
func function() int {
// do something
return 0
}
/* 循环 O(1) */
func loop(n int) {
for i := 0; i < n; i++ {
function()
}
}
/* 递归 O(n) */
func recur(n int) {
if n == 1 {
return
}
recur(n - 1)
}
```
=== "JavaScript"
```js title=""
```
=== "TypeScript"
```typescript title=""
```
=== "C"
```c title=""
```
=== "C#"
```csharp title=""
int function()
{
// do something
return 0;
}
/* 循环 O(1) */
void loop(int n)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
{
function();
}
}
/* 递归 O(n) */
int recur(int n)
{
if (n == 1) return 1;
return recur(n - 1);
}
```
## 常见类型
设输入数据大小为 $n$ ，常见的空间复杂度类型有（从低到高排列）
$$
\begin{aligned}
O(1) < O(\log n) < O(n) < O(n^2) < O(2^n) \newline
\text{常数阶} < \text{对数阶} < \text{线性阶} < \text{平方阶} < \text{指数阶}
\end{aligned}
$$
![space_complexity_common_types](space_complexity.assets/space_complexity_common_types.png)
<p align="center"> Fig. 空间复杂度的常见类型 </p>
!!! tip
部分示例代码需要一些前置知识，包括数组、链表、二叉树、递归算法等。如果遇到看不懂的地方无需担心，可以在学习完后面章节后再来复习，现阶段先聚焦在理解空间复杂度含义和推算方法上。
### 常数阶 $O(1)$
常数阶常见于数量与输入数据大小 $n$ 无关的常量、变量、对象。
需要注意的是，在循环中初始化变量或调用函数而占用的内存，在进入下一循环后就会被释放，即不会累积占用空间，空间复杂度仍为 $O(1)$ 。
=== "Java"
```java title="space_complexity.java"
/* 常数阶 */
void constant(int n) {
// 常量、变量、对象占用 O(1) 空间
final int a = 0;
int b = 0;
int[] nums = new int[10000];
ListNode node = new ListNode(0);
// 循环中的变量占用 O(1) 空间
for (int i = 0; i < n; i++) {
int c = 0;
}
// 循环中的函数占用 O(1) 空间
for (int i = 0; i < n; i++) {
function();
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="space_complexity.cpp"
/* 常数阶 */
void constant(int n) {
// 常量、变量、对象占用 O(1) 空间
const int a = 0;
int b = 0;
vector<int> nums(10000);
ListNode* node = new ListNode(0);
// 循环中的变量占用 O(1) 空间
for (int i = 0; i < n; i++) {
int c = 0;
}
// 循环中的函数占用 O(1) 空间
for (int i = 0; i < n; i++) {
func();
}
}
```
=== "Python"
```python title="space_complexity.py"
""" 常数阶 """
def constant(n):
# 常量、变量、对象占用 O(1) 空间
a = 0
nums = [0] * 10000
node = ListNode(0)
# 循环中的变量占用 O(1) 空间
for _ in range(n):
c = 0
# 循环中的函数占用 O(1) 空间
for _ in range(n):
function()
```
=== "Go"
```go title="space_complexity.go"
/* 常数阶 */
func spaceConstant(n int) {
// 常量、变量、对象占用 O(1) 空间
const a = 0
b := 0
nums := make([]int, 10000)
ListNode := newNode(0)
// 循环中的变量占用 O(1) 空间
var c int
for i := 0; i < n; i++ {
c = 0
}
// 循环中的函数占用 O(1) 空间
for i := 0; i < n; i++ {
function()
}
fmt.Println(a, b, nums, c, ListNode)
}
```
=== "JavaScript"
```js title="space_complexity.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="space_complexity.ts"
```
=== "C"
```c title="space_complexity.c"
```
=== "C#"
```csharp title="space_complexity.cs"
/* 常数阶 */
void constant(int n)
{
// 常量、变量、对象占用 O(1) 空间
int a = 0;
int b = 0;
int[] nums = new int[10000];
ListNode node = new ListNode(0);
// 循环中的变量占用 O(1) 空间
for (int i = 0; i < n; i++)
{
int c = 0;
}
// 循环中的函数占用 O(1) 空间
for (int i = 0; i < n; i++)
{
function();
}
}
```
### 线性阶 $O(n)$
线性阶常见于元素数量与 $n$ 成正比的数组、链表、栈、队列等。
=== "Java"
```java title="space_complexity.java"
/* 线性阶 */
void linear(int n) {
// 长度为 n 的数组占用 O(n) 空间
int[] nums = new int[n];
// 长度为 n 的列表占用 O(n) 空间
List<ListNode> nodes = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < n; i++) {
nodes.add(new ListNode(i));
}
// 长度为 n 的哈希表占用 O(n) 空间
Map<Integer, String> map = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < n; i++) {
map.put(i, String.valueOf(i));
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="space_complexity.cpp"
/* 线性阶 */
void linear(int n) {
// 长度为 n 的数组占用 O(n) 空间
vector<int> nums(n);
// 长度为 n 的列表占用 O(n) 空间
vector<ListNode*> nodes;
for (int i = 0; i < n; i++) {
nodes.push_back(new ListNode(i));
}
// 长度为 n 的哈希表占用 O(n) 空间
unordered_map<int, string> map;
for (int i = 0; i < n; i++) {
map[i] = to_string(i);
}
}
```
=== "Python"
```python title="space_complexity.py"
""" 线性阶 """
def linear(n):
# 长度为 n 的列表占用 O(n) 空间
nums = [0] * n
# 长度为 n 的哈希表占用 O(n) 空间
mapp = {}
for i in range(n):
mapp[i] = str(i)
```
=== "Go"
```go title="space_complexity.go"
/* 线性阶 */
func spaceLinear(n int) {
// 长度为 n 的数组占用 O(n) 空间
_ = make([]int, n)
// 长度为 n 的列表占用 O(n) 空间
var nodes []*Node
for i := 0; i < n; i++ {
nodes = append(nodes, newNode(i))
}
// 长度为 n 的哈希表占用 O(n) 空间
m := make(map[int]string, n)
for i := 0; i < n; i++ {
m[i] = strconv.Itoa(i)
}
}
```
=== "JavaScript"
```js title="space_complexity.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="space_complexity.ts"
```
=== "C"
```c title="space_complexity.c"
```
=== "C#"
```csharp title="space_complexity.cs"
/* 线性阶 */
void linear(int n)
{
// 长度为 n 的数组占用 O(n) 空间
int[] nums = new int[n];
// 长度为 n 的列表占用 O(n) 空间
List<ListNode> nodes = new();
for (int i = 0; i < n; i++)
{
nodes.Add(new ListNode(i));
}
// 长度为 n 的哈希表占用 O(n) 空间
Dictionary<int, String> map = new();
for (int i = 0; i < n; i++)
{
map.Add(i, i.ToString());
}
}
```
以下递归函数会同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()` 函数，使用 $O(n)$ 大小的栈帧空间。
=== "Java"
```java title="space_complexity.java"
/* 线性阶（递归实现） */
void linearRecur(int n) {
System.out.println("递归 n = " + n);
if (n == 1) return;
linearRecur(n - 1);
}
```
=== "C++"
```cpp title="space_complexity.cpp"
/* 线性阶（递归实现） */
void linearRecur(int n) {
cout << "递归 n = " << n << endl;
if (n == 1) return;
linearRecur(n - 1);
}
```
=== "Python"
```python title="space_complexity.py"
""" 线性阶（递归实现） """
def linearRecur(n):
print("递归 n =", n)
if n == 1: return
linearRecur(n - 1)
```
=== "Go"
```go title="space_complexity.go"
/* 线性阶（递归实现） */
func spaceLinearRecur(n int) {
fmt.Println("递归 n =", n)
if n == 1 {
return
}
spaceLinearRecur(n - 1)
}
```
=== "JavaScript"
```js title="space_complexity.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="space_complexity.ts"
```
=== "C"
```c title="space_complexity.c"
```
=== "C#"
```csharp title="space_complexity.cs"
/* 线性阶（递归实现） */
void linearRecur(int n)
{
Console.WriteLine("递归 n = " + n);
if (n == 1) return;
linearRecur(n - 1);
}
```
![space_complexity_recursive_linear](space_complexity.assets/space_complexity_recursive_linear.png)
<p align="center"> Fig. 递归函数产生的线性阶空间复杂度 </p>
### 平方阶 $O(n^2)$
平方阶常见于元素数量与 $n$ 成平方关系的矩阵、图。
=== "Java"
```java title="space_complexity.java"
/* 平方阶 */
void quadratic(int n) {
// 矩阵占用 O(n^2) 空间
int [][]numMatrix = new int[n][n];
// 二维列表占用 O(n^2) 空间
List<List<Integer>> numList = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < n; i++) {
List<Integer> tmp = new ArrayList<>();
for (int j = 0; j < n; j++) {
tmp.add(0);
}
numList.add(tmp);
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="space_complexity.cpp"
/* 平方阶 */
void quadratic(int n) {
// 二维列表占用 O(n^2) 空间
vector<vector<int>> numMatrix;
for (int i = 0; i < n; i++) {
vector<int> tmp;
for (int j = 0; j < n; j++) {
tmp.push_back(0);
}
numMatrix.push_back(tmp);
}
}
```
=== "Python"
```python title="space_complexity.py"
""" 平方阶 """
def quadratic(n):
# 二维列表占用 O(n^2) 空间
num_matrix = [[0] * n for _ in range(n)]
```
=== "Go"
```go title="space_complexity.go"
/* 平方阶 */
func spaceQuadratic(n int) {
// 矩阵占用 O(n^2) 空间
numMatrix := make([][]int, n)
for i := 0; i < n; i++ {
numMatrix[i] = make([]int, n)
}
}
```
=== "JavaScript"
```js title="space_complexity.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="space_complexity.ts"
```
=== "C"
```c title="space_complexity.c"
```
=== "C#"
```csharp title="space_complexity.cs"
/* 平方阶 */
void quadratic(int n)
{
// 矩阵占用 O(n^2) 空间
int[,] numMatrix = new int[n, n];
// 二维列表占用 O(n^2) 空间
List<List<int>> numList = new();
for (int i = 0; i < n; i++)
{
List<int> tmp = new();
for (int j = 0; j < n; j++)
{
tmp.Add(0);
}
numList.Add(tmp);
}
}
```
在以下递归函数中，同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()` ，并且每个函数中都初始化了一个数组，长度分别为 $n, n-1, n-2, ..., 2, 1$ ，平均长度为 $\frac{n}{2}$ ，因此总体使用 $O(n^2)$ 空间。
=== "Java"
```java title="space_complexity.java"
/* 平方阶（递归实现） */
int quadraticRecur(int n) {
if (n <= 0) return 0;
// 数组 nums 长度为 n, n-1, ..., 2, 1
int[] nums = new int[n];
return quadraticRecur(n - 1);
}
```
=== "C++"
```cpp title="space_complexity.cpp"
/* 平方阶（递归实现） */
int quadraticRecur(int n) {
if (n <= 0) return 0;
vector<int> nums(n);
cout << "递归 n = " << n << " 中的 nums 长度 = " << nums.size() << endl;
return quadraticRecur(n - 1);
}
```
=== "Python"
```python title="space_complexity.py"
""" 平方阶（递归实现） """
def quadratic_recur(n):
if n <= 0: return 0
# 数组 nums 长度为 n, n-1, ..., 2, 1
nums = [0] * n
return quadratic_recur(n - 1)
```
=== "Go"
```go title="space_complexity.go"
/* 平方阶（递归实现） */
func spaceQuadraticRecur(n int) int {
if n <= 0 {
return 0
}
// 数组 nums 长度为 n, n-1, ..., 2, 1
nums := make([]int, n)
return spaceQuadraticRecur(n - 1)
}
```
=== "JavaScript"
```js title="space_complexity.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="space_complexity.ts"
```
=== "C"
```c title="space_complexity.c"
```
=== "C#"
```csharp title="space_complexity.cs"
/* 平方阶（递归实现） */
int quadraticRecur(int n)
{
if (n <= 0) return 0;
// 数组 nums 长度为 n, n-1, ..., 2, 1
int[] nums = new int[n];
return quadraticRecur(n - 1);
}
```
![space_complexity_recursive_quadratic](space_complexity.assets/space_complexity_recursive_quadratic.png)
<p align="center"> Fig. 递归函数产生的平方阶空间复杂度 </p>
### 指数阶 $O(2^n)$
指数阶常见于二叉树。高度为 $n$ 的「满二叉树」的结点数量为 $2^n - 1$ ，使用 $O(2^n)$ 空间。
=== "Java"
```java title="space_complexity.java"
/* 指数阶（建立满二叉树） */
TreeNode buildTree(int n) {
if (n == 0) return null;
TreeNode root = new TreeNode(0);
root.left = buildTree(n - 1);
root.right = buildTree(n - 1);
return root;
}
```
=== "C++"
```cpp title="space_complexity.cpp"
/* 指数阶（建立满二叉树） */
TreeNode* buildTree(int n) {
if (n == 0) return nullptr;
TreeNode* root = new TreeNode(0);
root->left = buildTree(n - 1);
root->right = buildTree(n - 1);
return root;
}
```
=== "Python"
```python title="space_complexity.py"
""" 指数阶（建立满二叉树） """
def build_tree(n):
if n == 0: return None
root = TreeNode(0)
root.left = build_tree(n - 1)
root.right = build_tree(n - 1)
return root
```
=== "Go"
```go title="space_complexity.go"
/* 指数阶（建立满二叉树） */
func buildTree(n int) *TreeNode {
if n == 0 {
return nil
}
root := newTreeNode(0)
root.left = buildTree(n - 1)
root.right = buildTree(n - 1)
return root
}
```
=== "JavaScript"
```js title="space_complexity.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="space_complexity.ts"
```
=== "C"
```c title="space_complexity.c"
```
=== "C#"
```csharp title="space_complexity.cs"
/* 指数阶（建立满二叉树） */
TreeNode? buildTree(int n)
{
if (n == 0) return null;
TreeNode root = new TreeNode(0);
root.left = buildTree(n - 1);
root.right = buildTree(n - 1);
return root;
}
```
![space_complexity_exponential](space_complexity.assets/space_complexity_exponential.png)
<p align="center"> Fig. 满二叉树下的指数阶空间复杂度 </p>
### 对数阶 $O(\log n)$
对数阶常见于分治算法、数据类型转换等。
例如「归并排序」，长度为 $n$ 的数组可以形成高度为 $\log n$ 的递归树，因此空间复杂度为 $O(\log n)$ 。
再例如「数字转化为字符串」，输入任意正整数 $n$ ，它的位数为 $\log_{10} n$ ，即对应字符串长度为 $\log_{10} n$ ，因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n) = O(\log n)$ 。
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