На рисунке 6.1 показано несколько общих обозначений O(), с которым вы можете встретиться, и график, на котором сравнивается время выполнения алгоритмов в каждой категории. Из него ясно, что все начинает быстро выходить из-под контроля, как только мы переходим через O(n^2).

Рис. 6.1. Время выполнения различных алгоритмов

Некоторые универсальные обозначения О-большое

O(1) Постоянная зависимость (обращение к элементу массива, простые операторы)

O(lg(n)) Логарифмическая зависимость (двоичный поиск) [lg(n) – краткое обозначение log2(n)]

O(n) Линейная зависимость (последовательный поиск)

O(n lg(n)) Эта зависимость линейной, но не намного (среднее время быстрой сортировки, пирамидальной сортировки)

O(n^2) Квадратичная зависимость (выборочная сортировка и сортировка включения)

O(n^3) Кубическая зависимость (перемножение двух матриц размером n*n)

O(C^n) Экспоненциальная зависимость (задача о коммивояжере, разбиение набора)

Предположим, что у вас есть программа, обрабатывающая 100 записей за 1 сек. Сколько времени ей потребуется для обработки 1000 записей? Если ваша программа является O(1), то это время остается равным 1 сек. Если она является O(lg(n)), то для обработки потребуется около 3 сек. При O(n) время обработки линейно возрастает до 10 сек., а при O(nlg(n)) составит примерно 33 сек. Если вам не повезло и ваша программа является O(n^2), то можете отдохнуть в течение 100 сек., пока она не сделает свое дело. Ну а в том случае, если вы используете экспоненциальный алгоритм O(2^n), можете заварить чашечку кофе – программа завершит свою работу примерно через 10263 года. В общем, хотелось бы знать, как происходит конец света.

Система обозначений O() не применяется только к временным параметрам; ее можно использовать для представления других ресурсов, требуемых неким алгоритмом. Например, она часто является полезной при моделировании расхода памяти (см. упражнение 35).

Оценка с точки зрения здравого смысла

Можно оценить порядок многих базовых алгоритмов с точки зрения здравого смысла.

• Простые циклы. Если простой цикл выполняется от 1 до n, то алгоритм, скорее всего, является O(n) – время находится в линейной зависимости от n. Примерами этого являются исчерпывающий поиск, поиск максимального элемента в массиве и генерация контрольной суммы.

• Вложенные циклы. Если вы помещаете один цикл в другой, то ваш алгоритм становится O(m*n), где m и n – пределы этих двух циклов. Обычно это свойственно простым алгоритмам сортировки, типа пузырьковой сортировки, где внешний цикл поочередно просматривает каждый элемент массива, а внутренний цикл определяет местонахождение этого элемента в результирующем массиве. Подобные алгоритмы сортировки чаще всего стремятся к O(n^2).

• Алгоритм двоичного поиска. Если алгоритм делит пополам набор элементов, который он рассматривает всякий раз в цикле, то скорее всего он логарифмический O(lg(n)) (см. упражнение 37). Двоичный поиск в упорядоченном списке, обход двоичного дерева и поиск первого установленного бита в машинном слове могут быть O(lg(n)).

• Разделяй и властвуй. Алгоритмы, разбивающие входные данные на разделы, работающие независимо с двумя половинами и затем комбинирующие конечный результат, могут представлять собой O(nlg(n)). Классическим примером является алгоритм быстрой сортировки, который делит входной массив пополам и затем проводит рекурсивную сортировку в каждой из половин. Хотя технически он и является O(n^2), поскольку его поведение ухудшается при обработке упорядоченных данных, но среднее время быстрой сортировки составляет O(nlg(n)).

• Комбинаторика. При использовании алгоритмов в решении любых задач, связанных с перестановкой, время их выполнения может выйти из-под контроля.

Это происходит потому, что задачи о перестановке включают вычисления факториалов (существует 5! = 5*4*3*2*1 = 120 перестановок цифр от 1 до 5). Возьмем за основу время выполнения комбинаторного алгоритма для пяти элементов; для шести элементов времени потребуется в шесть раз больше, а для семи – в 42. Примерами этого являются алгоритмы решения многих известных сложных задач – о коммивояжере, об оптимальной упаковке предметов в контейнер, о разделении набора чисел таким образом, что сумма каждого отдельного набора одинакова и т. д. Во многих случаях для сокращения времени выполнения алгоритмов данного типа в определенных прикладных областях используются эвристические подходы.

Скорость алгоритма на практике

Маловероятно, что в своей профессиональной карьере вам придется тратить много времени на написание программ сортировки. Эти программы, входящие в стандартные библиотеки, наверняка без особых усилий превзойдут написанное вами. Но основные типы алгоритмов, описанные выше, будут время от времени всплывать на поверхность. Во всех случаях, когда вы пишете простой цикл, знайте, что имеете дело с алгоритмом О(n). Если же этот цикл содержит внутренний цикл, то речь идет о О(m*n). Вы обязаны задаться вопросом: а насколько велики эти значения? Если эти значения ограничены сверху, то вы можете представить, сколько времени потребуется на выполнение программы. Если эти цифры зависят от внешних факторов (наподобие количества записей в запускаемом на ночь пакете программ или количества фамилий в списке персоналий), то стоит остановиться и изучить влияние больших чисел на время выполнения программы или объемы необходимой памяти.

Существует несколько подходов, которыми вы можете воспользоваться при решении потенциально возникающих проблем. Если есть алгоритм, являющийся O(n^2), попробуйте действовать по принципу "разделяй и властвуй", что может уменьшить время выполнения до O(nlg(n)).

Если вы не уверены в том, что ваша программа будет выполняться в течение определенного времени, или в том, что она затребует определенный объем памяти, попытайтесь запустить ее, варьируя количество обрабатываемых записей или другие параметры, способные оказать воздействие на время выполнения программы. На основе полученных результатов постройте график и получите представление о форме кривой. Изгибается ли она кверху, представляет ли собой прямую линию или сглаживается с увеличением размера входного массива данных? Представление об этом можно получить, исходя из трех или четырех точек.

Стоит рассмотреть и то, что происходит в самой программе. При малых значениях n простой цикл O(n^2) может работать намного лучше, чем сложный О(nlg(n)), особенно если последний содержит ресурсоемкий внутренний цикл.

Говоря о теории, не стоит забывать и о практических соображениях. При работе с небольшими массивами входных данных может показаться, что время выполнения возрастает линейно. Но если программа обрабатывает миллионы записей, то внезапно время выполнения резко увеличивается, по мере того как система начинает «буксовать». При проведении тестирования программы сортировки со случайными входными ключами вы можете удивиться ее работе с упорядоченным входным массивом. Прагматики стараются обеспечивать как теоретическую, так и практическую базу. После всех проведенных оценок единственной определяемой временной характеристикой является скорость выполнения вашей программы в реальных условиях эксплуатации и с реальными данными [38] . Из этого следует следующая подсказка.

Если сложно точно определить время, воспользуйтесь программами оптимизации, чтобы подсчитать, сколько раз выполнялся алгоритм, и постройте зависимость этого количества от размера входного массива данных.