数据结构的加强甜点-序列1

目录

尾递归

问题

介绍

特点

原理

答案

数组栈堆内存分配

前言

分析

再分析

所谓多维数组

程序局部性原理应用

尾递归

问题

• 在空间复杂度这块，有个O(n)示例如下：

void recur(int n) {
    if (n == 1) return;
    return recur(n - 1);
}

• 这很明显是个尾递归，未啥没优化成O(1)

介绍

• 在传统的递归中，典型的模型是首先执行递归调用，然后获取递归调用的返回值并计算结果
• 以这种方式，在每次递归调用返回之前，你不会得到计算结果
• 这样做的缺点有二：
• 效率低，占内存
• 如果递归链过长，可能会statck overflow
• 若函数在尾位置调用自身（或是一个尾调用本身的其他函数等等），则称这种情况为尾递归
• 尾递归也是递归的一种特殊情形
• 尾递归是一种特殊的尾调用，即在尾部直接调用自身的递归函数

特点

• 对尾递归的优化也是关注尾调用的主要原因
• 尾递归在普通尾调用的基础上，多出了2个特征：
• 在尾部调用的是函数自身 （Self-called）；
• 可通过优化，使得计算仅占用常量栈空间 (Stack Space)

原理

• 当编译器检测到一个函数调用是尾递归的时候，它就覆盖当前的活动记录而不是在栈中去创建一个新的
• 编译器可以做到这点，因为递归调用是当前活跃期内最后一条待执行的语句，于是当这个调用返回时栈帧中并没有其他事情可做，因此也就没有保存栈帧的必要了
• 通过覆盖当前的栈帧而不是在其之上重新添加一个，这样所使用的栈空间就大大缩减了，这使得实际的运行效率会变得更高

答案

• 这段代码是尾递归，理论上可以将空间复杂度优化至O(1)
• 不过绝大多数编程语言（例如 Java, Python, C++, Go, C# 等）都不支持自动优化尾递归，因此在这里写O(n)

数组栈堆内存分配

前言

• 栈内存分配由编译器自动完成，而堆内存由程序员在代码中分配（请注意这里的栈和堆不是数据结构中的栈和堆）
• 1.栈不灵活，分配的内存大小不可更改；堆相对灵活，可以动态分配内存；
• 2.栈是一块比较小的内存，容易出现内存不足；堆内存很大，但是由于是动态分配，容易碎片化，管理堆内存的难度更大、成本更高；
• 3.访问栈比访问堆更快，因为栈内存较小、对缓存友好，堆帧分散在很大的空间内，会出现更多的缓存未命中；

分析

• 假设刚开始，堆、栈是空的
• 1---声明数组：
• int[] array = null;
• array只是声明而已，会在栈为其开辟一个空间，堆为开辟空间

• 

• 2---创建数组：
• array = new int[10];
• 创建数组，在堆里面开辟空间储存数组，同时栈中的array指向该存储空间

• 3---给数组赋值：
• for(int i = 0; i < 10; i++) array[i]=i+1;

• 

再分析

• int[] a = {2,3,4}; 
• int[] b = new int[4];

• 

• b = a;

• 

• // 定义Person类
  public class Person {                                                  
  	public int age;
  	public double height;
      public void info() {
              System.out.println("年龄：" + age + ",身高：" + height);
      }
  }

• // 测试类
  public class ArrayTest {           
      public static void main(String[] args) {
  
          // 定义一个students数组变量，其类型是Person[]
          Person[] students = new Person[2];
  
          Person zhang = new Person();
          zhang.age = 10;
          zhang.height = 130;
  
          Person lee = new Person();
          lee.age = 20;
          lee.height = 180;
  
          //将zhang变量赋值给第一个数组元素
          students[0] = zhang;
          //将lee变量赋值给第二个数组元素
          students[1] = lee;
  
          //下面两行代码结果一样，因为lee和student[1]
          //指向的是同一个Person实例
          lee.info();
          students[1].info();
      }
  }

• Person[] students = new Person[2] 时

• 

• Person zhang = new Person();
• zhang.age = 10;
• zhang.height = 130;
• Person lee = new Person();
• lee.age = 20;
• lee.height = 180; 时

• 

• 将zhang变量赋值给第一个数组元素
• students[0] = zhang;
• 将lee变量赋值给第二个数组元素
• students[1] = lee; 时

• 

所谓多维数组

• 先说结论：
• Java语言里提供了支持多维数组的语法
• 如果从数组底层的运行机制上来看，没有多维数组！
• 开始讲解：
• Java里数组是引用类型，因此数组变量其实是一个引用
• 什么是引用？
• 引用=起个别名；并不另外开辟内存单元；但占用内存的同一位置
• 什么是引用类型？
• 值类型直接存储其值，而引用类型存储对其值的引用
• 这个引用指向真实的数组内存，如果数组元素也是引用类型，也就是多维数组
• 那是不是最终都指向一维数组的内容
• 举例说明：
• 定义一个二维数组，当作一维数组遍历
• 结果为null null null null,
• 说明二维数组其实就是一维数组里元素的引用类型
• 即一个长度为2的数组

• // 定义一个二维数组
  int[][] a;
  // 把a当作一维数组进行初始化，初始化a是一个长度为4的数组
  // a数组的元素又是引用类型
  a = new int[4][];
  // 把a当作一维数组进行遍历，遍历a的每个元素
  for (int i = 0; i < a.length; i++) {
      System.out.println(a[i]);// null null null null
  }
  // 初始化a的第一个元素
  a[0] = new int[2];
  // 访问a数组的第一个元素所指向数组的第二个元素
  a[0][1] = 6;
  // a数组的第一个元素是一个一维数组，遍历这个一维数组
  for (int i = 0; i < a[0].length; i++) {
      System.out.println(a[0][i]);
  }

• int[][] a;
• a = new int[4][]; 时

• 

• a[0] = new int[2];
• a[0][1] = 6; 时
• 程序采用动态初始化a[0]数组，
• 因此系统将为a[0]所引用数组的每个元素默认分配0，
• 程序显示的将a[0]的第二个元素赋值为6

• 

• 再举例：
• int[][] b = new int[3][4];
• 同时初始化二维数组的两个维数
• 该代码定义了一个b数组变量，这个数组变量指向一个长度为3的数组
• 这个数组的元素又是一个数组类型，它们各指向对应长度为4的int[]数组
• 每个数组元素的值为0

• 

程序局部性原理应用

• 除了查找性能链表不如数组外
• 还有一个优势让数组的性能高于链表,即程序局部性原理
• 这里简介一下，这属于组成原理的内容
• 我们知道 CPU 运行速度是非常快的，如果 CPU 每次运算都要到内存里去取数据无疑是很耗时的
• 所以在 CPU 与内存之间往往集成了挺多层级的缓存，这些缓存越接近CPU，速度越快
• 所以如果能提前把内存中的数据加载到如下图中的 L1, L2, L3 缓存中，那么下一次 CPU 取数的话直接从这些缓存里取即可，能让CPU执行速度加快

• 

• 那什么情况下内存中的数据会被提前加载到 L1,L2,L3 缓存中呢
• 答案是当某个元素被用到的时候，那么这个元素地址附近的的元素会被提前加载到缓存中
• 以整型数组 1，2，3，4为例
• 当程序用到了数组中的第一个元素（即 1）时
• 由于 CPU 认为既然 1 被用到了，那么紧邻它的元素 2，3，4 被用到的概率会很大，所以会提前把 2，3，4 加到 L1,L2,L3 缓存中去，这样 CPU 再次执行的时候如果用到 2，3，4，直接从 L1,L2,L3 缓存里取就行了，能提升不少性能