C++空间复杂度

「空间复杂度 space complexity」用于衡量算法占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非常类似，只需将“运行时间”替换为“占用内存空间”。

算法相关空间

算法在运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种。

• 输入空间：用于存储算法的输入数据。
• 暂存空间：用于存储算法在运行过程中的变量、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。

一般情况下，空间复杂度的统计范围是“暂存空间”加上“输出空间”。

暂存空间可以进一步划分为三个部分。

• 暂存数据：用于保存算法运行过程中的各种常量、变量、对象等。
• 栈帧空间：用于保存调用函数的上下文数据。系统在每次调用函数时都会在栈顶部创建一个栈帧，函数返回后，栈帧空间会被释放。
• 指令空间：用于保存编译后的程序指令，在实际统计中通常忽略不计。

在分析一段程序的空间复杂度时，我们通常统计暂存数据、栈帧空间和输出数据三部分。

图 2-15   算法使用的相关空间

/* 结构体 */
struct Node {
    int val;
    Node *next;
    Node(int x) : val(x), next(nullptr) {}
};

/* 函数 */
int func() {
    // 执行某些操作...
    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
}

推算方法

空间复杂度的推算方法与时间复杂度大致相同，只需将统计对象从“操作数量”转为“使用空间大小”。

而与时间复杂度不同的是，我们通常只关注最差空间复杂度。这是因为内存空间是一项硬性要求，我们必须确保在所有输入数据下都有足够的内存空间预留。

观察以下代码，最差空间复杂度中的“最差”有两层含义。

1. 以最差输入数据为准：当 n<10 时，空间复杂度为 O(1) ；但当 n>10 时，初始化的数组 nums 占用 O(n) 空间；因此最差空间复杂度为 O(n) 。
2. 以算法运行中的峰值内存为准：例如，程序在执行最后一行之前，占用 O(1) 空间；当初始化数组 nums 时，程序占用 O(n) 空间；因此最差空间复杂度为 O(n) 。

void algorithm(int n) {
    int a = 0;               // O(1)
    vector<int> b(10000);    // O(1)
    if (n > 10)
        vector<int> nums(n); // O(n)
}

在递归函数中，需要注意统计栈帧空间。例如在以下代码中：

• 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) 。
• 递归函数 recur() 在运行过程中会同时存在 n 个未返回的 recur() ，从而占用 O(n) 的栈帧空间。

int func() {
    // 执行某些操作
    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);
}

常见类型

设输入数据大小为 n ，图 2-16 展示了常见的空间复杂度类型（从低到高排列）。

图 2-16   常见的空间复杂度类型

1.   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，因此不会累积占用空间，空间复杂度仍为 O(1) ：

space_complexity.cpp

/* 函数 */
int func() {
    // 执行某些操作
    return 0;
}

/* 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(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();
    }
}

 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：

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(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);
    }
}

如图 2-17 所示，此函数的递归深度为 $n$ ，即同时存在 $n$ 个未返回的 linear_recur() 函数，使用 $O\left(n\right)$ 大小的栈帧空间：

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);
}

图 2-17   递归函数产生的线性阶空间复杂度

平方阶 O(n²)

平方阶常见于矩阵和图，元素数量与 n 成平方关系：

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);
    }
}

如图 2-18 所示，该函数的递归深度为 $n$ ，在每个递归函数中都初始化了一个数组，长度分别为 $n$、$n-1$、$\dots$、$2$、$1$ ，平均长度为 $n/2$ ，因此总体占用 $O\left(n^2\right)$ 空间：

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);
}

图 2-18   递归函数产生的平方阶空间复杂度

指数阶 O(2^n)

指数阶常见于二叉树。观察图 2-19 ，高度为 n 的“满二叉树”的节点数量为 2n−1 ，占用 O(2^n) 空间：

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;
}

图 2-19   满二叉树产生的指数阶空间复杂度

对数阶 O(log⁡n)

对数阶常见于分治算法。例如归并排序，输入长度为 n 的数组，每轮递归将数组从中点划分为两半，形成高度为 log⁡n 的递归树，使用 O(log⁡n) 栈帧空间。

再例如将数字转化为字符串，输入一个正整数 n ，它的位数为 log10 ⁡n +1 ，即对应字符串长度为 log10⁡ n +1 ，因此空间复杂度为 O(log10 n +1)=O(log⁡ n) 。

权衡时间与空间

理想情况下，我们希望算法的时间复杂度和空间复杂度都能达到最优。然而在实际情况中，同时优化时间复杂度和空间复杂度通常是非常困难的。

降低时间复杂度通常需要以提升空间复杂度为代价，反之亦然。我们将牺牲内存空间来提升算法运行速度的思路称为“以空间换时间”；反之，则称为“以时间换空间”。

选择哪种思路取决于我们更看重哪个方面。在大多数情况下，时间比空间更宝贵，因此“以空间换时间”通常是更常用的策略。当然，在数据量很大的情况下，控制空间复杂度也是非常重要的。