一道C++面试题的误区
2011-05-03 23:16
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问题:寻找数组中的最小值和最大值。
一道很简单的题目,一般有下面4种解法:
1 遍历两次,每次分别找出最小值和最大值。
2 只遍历一次,每次取出的元素先与已找到的最小值比较,再与已找到的最大值比较。
3 每次取两个元素,将较小者与已找到的最小值比较,将较大者与已找到的最大值比较。
4 分治:将数组划分成两半,分别找出两边的最小值、最大值,则最小值、最大值分别是两边最小值的较小者、两边最大值的较大者。
这4种算法,哪种效率最高,哪种最低?
后两种算法只要进行1.5*N次比较,因而网上有不少解答都将它们列为最佳答案。但是,算法4用到了递归,而递归法函数调用的开销是很大的,这就注定了该算法的效率肯定不高。那么,算法3就是最高效的吗?还是用代码来验证吧。
后面的代码,对每种算法都实现了两个函数(假设数组长度为N):
算法1:solve_1a与solve_1b,后者加入两个临时变量,编译器可以将变量储存在寄存器中,不用每次循环都要写内存。比较次数为2*N次。
算法2:solve_2a与solve_2b,前者每次循环必比较2次,后者最好情况下(递减数组)只要比较1次,但最差情况下(递增数组)则要比较2次,比较次数为:N到2 * N次。
算法3:solve_3a与solve_3b,前者每次循环取头尾两元素(从两头往中间取),后者取相邻两元素。比较次数为1.5 * N次。
算法4:solve_4a与solve_4b,后者返回一个结构(只有两个元素),编译器优化可以通过两个寄存器返回该结构,减少写内存次数。(检查gcc产生的汇编,确认有进行该优化)。比较次数为1.5 * N次。
下面是测试结果:(数组长度为6e7,每种算法测4次取平均值)
编译参数:tdm-gcc 4.5.2-dw2: g++ -O3 -s -Wextra –Wall VC 2010: cl /Ox /EHsc /nologo /W3
很明显,“分治”法的效率远低于其它3种算法。对前3种算法,将数组长度增加到1e8,并对十组随机数组进行测试,得到结果:
从上面的表和图可以看出,算法3在数组有序时,运行效率很高(但与算法2相差不大),而在乱序时,甚至比两次遍历都慢。乱序时:算法2效率最高,算法1次之,算法3效率最低。
算法2a和算法2b的效率差不多,有时算法2a的效率还略高。算法2a,每次循环都要比较2次,算法2b每次循环要比较1到2次,但由于前者的两次比较是无关的,后者的比较是相关的(第一次比较的结果决定是否进行第二次比较),在现代CPU“指令预测”等技术前,算法2a在某些情况下能比较算法2b更高效。
算法3的效率也不是绝对最差的,上面的随机数组是通过随机产生一些数得到,如果把它改为对数组的元素进行 “随机洗牌”,就得到下面的结果(所得的新数据与上面的数据和并,下图中第一、三列是上面的数据,第二、四列是改用“随机洗牌”后得到的新数据):
从图可以看出,改用“随机洗牌”法得到乱序数组后,VC的结果没发生改变,GCC除了函数3a,结果也没改变,但是“3a一次取头尾两元素”却成为最高效的算法,但其效率和 “一次遍历取一个元素” 法,相差并不是太大。因而可以说,在单线程环境下,“一次遍历取一个元素”这个最容易想到的方法,反而是本题的最佳解法。
算法上的最优,并不一定是实际上的最优,快排和堆排序就是一个典型的例子,虽然快排最坏情况下的复杂度是O(N^2),而堆排序始终是O(N lgN),但实际运用中,一个好的快排实现一般都比堆排序快很多。何况这4种算法的复杂度还都是O(N)。为了在最坏情况下节省0.5 * N次比较,进行的所谓优化,得到的结果很可能与所期望的恰恰相反。
测试代码:
一道很简单的题目,一般有下面4种解法:
1 遍历两次,每次分别找出最小值和最大值。
2 只遍历一次,每次取出的元素先与已找到的最小值比较,再与已找到的最大值比较。
3 每次取两个元素,将较小者与已找到的最小值比较,将较大者与已找到的最大值比较。
4 分治:将数组划分成两半,分别找出两边的最小值、最大值,则最小值、最大值分别是两边最小值的较小者、两边最大值的较大者。
这4种算法,哪种效率最高,哪种最低?
后两种算法只要进行1.5*N次比较,因而网上有不少解答都将它们列为最佳答案。但是,算法4用到了递归,而递归法函数调用的开销是很大的,这就注定了该算法的效率肯定不高。那么,算法3就是最高效的吗?还是用代码来验证吧。
后面的代码,对每种算法都实现了两个函数(假设数组长度为N):
算法1:solve_1a与solve_1b,后者加入两个临时变量,编译器可以将变量储存在寄存器中,不用每次循环都要写内存。比较次数为2*N次。
算法2:solve_2a与solve_2b,前者每次循环必比较2次,后者最好情况下(递减数组)只要比较1次,但最差情况下(递增数组)则要比较2次,比较次数为:N到2 * N次。
算法3:solve_3a与solve_3b,前者每次循环取头尾两元素(从两头往中间取),后者取相邻两元素。比较次数为1.5 * N次。
算法4:solve_4a与solve_4b,后者返回一个结构(只有两个元素),编译器优化可以通过两个寄存器返回该结构,减少写内存次数。(检查gcc产生的汇编,确认有进行该优化)。比较次数为1.5 * N次。
下面是测试结果:(数组长度为6e7,每种算法测4次取平均值)
所用时间(毫秒,GCC 4.5) | 所用时间(毫秒,VC 2010) | |||||||||
函数名 | 递增 | 递减 | 乱序1 | 乱序2 | 乱序3 | 递增 | 递减 | 乱序1 | 乱序2 | 乱序3 |
1a 两次遍历 | 175 | 183 | 187 | 179 | 179 | 199 | 203 | 176 | 187 | 175 |
1b 两次遍历(优化) | 175 | 179 | 171 | 171 | 172 | 183 | 234 | 175 | 187 | 172 |
2a 一次遍历 | 105 | 105 | 105 | 129 | 105 | 105 | 132 | 105 | 109 | 105 |
2b 一次遍历(优化) | 105 | 90 | 105 | 109 | 105 | 109 | 109 | 105 | 113 | 105 |
3a 取头尾两元素 | 85 | 85 | 246 | 246 | 246 | 86 | 82 | 261 | 261 | 261 |
3b 取相邻两元素 | 93 | 101 | 238 | 242 | 238 | 93 | 101 | 258 | 257 | 253 |
4a 分治法 | 316 | 359 | 867 | 863 | 867 | 773 | 777 | 1554 | 1558 | 1558 |
4b 分治法(优化) | 273 | 289 | 824 | 824 | 828 | 648 | 656 | 1347 | 1340 | 1339 |
很明显,“分治”法的效率远低于其它3种算法。对前3种算法,将数组长度增加到1e8,并对十组随机数组进行测试,得到结果:
从上面的表和图可以看出,算法3在数组有序时,运行效率很高(但与算法2相差不大),而在乱序时,甚至比两次遍历都慢。乱序时:算法2效率最高,算法1次之,算法3效率最低。
算法2a和算法2b的效率差不多,有时算法2a的效率还略高。算法2a,每次循环都要比较2次,算法2b每次循环要比较1到2次,但由于前者的两次比较是无关的,后者的比较是相关的(第一次比较的结果决定是否进行第二次比较),在现代CPU“指令预测”等技术前,算法2a在某些情况下能比较算法2b更高效。
算法3的效率也不是绝对最差的,上面的随机数组是通过随机产生一些数得到,如果把它改为对数组的元素进行 “随机洗牌”,就得到下面的结果(所得的新数据与上面的数据和并,下图中第一、三列是上面的数据,第二、四列是改用“随机洗牌”后得到的新数据):
从图可以看出,改用“随机洗牌”法得到乱序数组后,VC的结果没发生改变,GCC除了函数3a,结果也没改变,但是“3a一次取头尾两元素”却成为最高效的算法,但其效率和 “一次遍历取一个元素” 法,相差并不是太大。因而可以说,在单线程环境下,“一次遍历取一个元素”这个最容易想到的方法,反而是本题的最佳解法。
算法上的最优,并不一定是实际上的最优,快排和堆排序就是一个典型的例子,虽然快排最坏情况下的复杂度是O(N^2),而堆排序始终是O(N lgN),但实际运用中,一个好的快排实现一般都比堆排序快很多。何况这4种算法的复杂度还都是O(N)。为了在最坏情况下节省0.5 * N次比较,进行的所谓优化,得到的结果很可能与所期望的恰恰相反。
测试代码:
// by flyinghearts # qq.com #include <algorithm> #include <limits> #include <vector> #include <cstdio> #define NOMINMAX 1 #include <windows.h> #define TEST_CASE 1 // 第0组还是第1组测试 #define RANDOM_SHUFFLE 0 // 乱序是否通过随机洗牌获得 #define TEST_RAND_POS 0 const unsigned Pack = 4; // 对某组数据连续测试Pack次,取平均值 const unsigned Rand_M = 5; // 测试某个乱序数组的 Rand_M个子数组 #if ! TEST_CASE const unsigned Fix_M = 3; // 固定数组长度时,测试Fix_M个乱序数组 const unsigned Length = 6e7; // 固定数组长度 #else const unsigned Fix_M = 10; const unsigned Length = 1e8; #endif #if _MSC_VER #pragma comment(lib, "winmm.lib") #endif inline unsigned mclock() { return timeGetTime(); } void solve_1a(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { min_value = max_value = arr[0]; for (const int *p = arr + 1; p < arr + len; ++p) if (*p < min_value) min_value = *p; for (const int *p = arr + 1; p < arr + len; ++p) if (*p > max_value) max_value = *p; } void solve_1b(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { int max_v = arr[0], min_v = arr[0]; for (const int *p = arr + 1; p < arr + len; ++p) if (*p < min_v) min_v = *p; for (const int *p = arr + 1; p < arr + len; ++p) if (*p > max_v) max_v = *p; max_value = max_v; min_value = min_v; } void solve_2a(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { int max_v = arr[0], min_v = arr[0]; for (const int *p = arr + 1; p < arr + len; ++p) { if (*p < min_v) min_v = *p; if (*p > max_v) max_v = *p; } max_value = max_v; min_value = min_v; } void solve_2b(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { int max_v = arr[0], min_v = arr[0]; for (const int *p = arr + 1; p < arr + len; ++p) { if (*p < min_v) min_v = *p; else if (*p > max_v) max_v = *p; } max_value = max_v; min_value = min_v; } void solve_3a(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { // int min_v = std::numeric_limits<int>::max(); // int max_v = std::numeric_limits<int>::min(); // const int *low = arr - 1; // const int *high = arr + len; const int *low = arr; const int *high = arr + len - 1; int min_v, max_v; if (*low < *high) { min_v = *low; max_v = *high; } else { min_v = *high; max_v = *low; } while (++low <= --high) { if (*low <= *high) { if (*low < min_v) min_v = *low; if (*high > max_v) max_v = *high; } else { if (*high < min_v) min_v = *high; if (*low > max_v) max_v = *low; } } max_value = max_v; min_value = min_v; } void solve_3b(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { // 长度为奇、偶数时,分别先取出1、2个元素。剩下的元素个数一定是偶数 int min_v, max_v; size_t t = (len - 1u) % 2u; if (arr[0] <= arr[t]) { min_v = arr[0]; max_v = arr[t]; } else { min_v = arr[t]; max_v = arr[0]; } const int *p = arr + t + 1; while (p < arr + len) { // p 和 arr + len 奇偶性始终相同 int va = *p++; int vb = *p++; if (va <= vb) { if (va < min_v) min_v = va; if (vb > max_v) max_v = vb; } else { if (vb < min_v) min_v = vb; if (va > max_v) max_v = va; } } max_value = max_v; min_value = min_v; } void solve_3c(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { // 长度为奇、偶数时,分别先取出1、2个元素。剩下的元素个数一定是偶数 int min_v, max_v; size_t t = (len - 1u) % 2u; if (arr[0] <= arr[t]) { min_v = arr[0]; max_v = arr[t]; } else { min_v = arr[t]; max_v = arr[0]; } for (const int *p = arr + t + 1; p < arr + len; p += 2) { // p 和 arr + len 奇偶性始终相同 int va = *p; int vb = *(p + 1); if (va <= vb) { if (va < min_v) min_v = va; if (vb > max_v) max_v = vb; } else { if (vb < min_v) min_v = vb; if (va > max_v) max_v = va; } } max_value = max_v; min_value = min_v; } static void solve_4a_(const int arr[], size_t low, size_t high, int& min_value, int& max_value) { if (high - low <= 1u) { if (arr[low] <= arr[high]) { min_value = arr[low]; max_value = arr[high]; } else { min_value = arr[high]; max_value = arr[low]; } return; } size_t mid = low + (high - low) / 2u; int min_left, max_left; solve_4a_(arr, low, mid, min_left, max_left); int min_right, max_right; solve_4a_(arr, mid + 1, high, min_right, max_right); min_value = std::min(min_left, min_right); max_value = std::max(max_left, max_right); } void solve_4a(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { return solve_4a_(arr, 0, len - 1u, min_value, max_value); } struct Range{ int min_v, max_v; Range(int x, int y):min_v(x), max_v(y) {} }; static Range solve_4b_(const int arr[], size_t low, size_t high) { if (high - low <= 1) { if (arr[low] <= arr[high]) return Range(arr[low], arr[high]); return Range(arr[high], arr[low]); } size_t mid = low + (high - low) / 2u; Range left = solve_4b_(arr, low, mid); Range right = solve_4b_(arr, mid + 1, high); return Range(std::min(left.min_v, right.min_v),std::max(left.max_v, right.max_v)); } void solve_4b(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { Range value = solve_4b_(arr, 0, len - 1); min_value = value.min_v; max_value = value.max_v; } static void solve_4c_(const int *low, const int *high, int& min_value, int& max_value) { if (high - low <= 1) { if (*low <= *high) { min_value = *low; max_value = *high; } else { min_value = *high; max_value = *low; } return; } const int *mid = low + (high - low) / 2u; int min_left, max_left; solve_4c_(low, mid, min_left, max_left); int min_right, max_right; solve_4c_(mid + 1, high, min_right, max_right); min_value = std::min(min_left, min_right); max_value = std::max(max_left, max_right); } void solve_4c(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { return solve_4c_(arr, arr + len - 1, min_value, max_value); } static Range solve_4d_(const int *low, const int *high) { if (high - low <= 1) { if (*low <= *high) return Range(*low, *high); return Range(*high, *low); } const int* mid = low + (high - low) / 2u; Range left = solve_4d_(low, mid); Range right = solve_4d_(mid + 1, high); return Range(std::min(left.min_v, right.min_v),std::max(left.max_v, right.max_v)); } void solve_4d(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value) { Range value = solve_4d_(arr, arr + len - 1); min_value = value.min_v; max_value = value.max_v; } template<typename T> void run_test(T arr[], size_t len, int input[], size_t input_len) { int min_value, max_value; for (size_t i = 0; i < len; ++i) { printf("%d %-20s ", i, arr[i].str); unsigned ta = mclock(); for (size_t j = Pack; j != 0; --j) arr[i].func(input, input_len, min_value, max_value); ta = mclock() - ta; printf("min/max: %d/%d elapsed: %u ms/n", min_value, max_value, ta / Pack); } printf("/n"); } struct Func { void (*func)(const int arr[], const size_t len, int& min_value, int& max_value); const char *str; }; struct Generator { int operator()() const { return (rand() << 15) + rand(); } }; void test() { const size_t N = Length; if (Fix_M == 0 || N < 100) return; const Func func[] = { { solve_1a, " 1a 两次遍历" }, { solve_1b, " 1b 两次遍历(优化)" }, { solve_2a, " 2a 一次遍历" }, { solve_2b, " 2b 一次遍历(优化)" }, { solve_3a, " 3a 取头尾两元素" }, { solve_3b, " 3b 取相邻两元素" }, // { solve_3c, " 3c 取相邻两元素2" }, #if ! TEST_CASE { solve_4a, " 4a 分治法" }, { solve_4b, " 4b 分治法(优化)" }, // { solve_4c, " 4c 分治法2" }, // // { solve_4d, " 4d 分治法(优化2)" }, // 用指针,速度会稍快点 #endif }; const size_t func_len = sizeof(func) / sizeof(func[0]); std::vector<int> src(N); for (size_t i = 0; i < N; ++i) src[i] = i; #if ! TEST_CASE printf(" 递增 pos: 0 len:%u/n", N); run_test(func, func_len, &src[0], N); for (size_t i = 0; i < N; ++i) src[i] = N - i; printf(" 递减 pos: 0 len:%u/n", N); run_test(func, func_len, &src[0], N); #endif // srand(time(NULL)); for (unsigned i = 0; i < Fix_M; ++i) { #if RANDOM_SHUFFLE std::random_shuffle(src.begin(), src.end()); #else std::generate(src.begin(), src.end(), Generator()); #endif printf (" 乱序%d pos: 0 len %u/n", i + 1, N); run_test(func, func_len, &src[0], N); } #if TEST_RAND_POS const unsigned sub_len = N / 4u; const unsigned max_pos = N - sub_len; for (unsigned i = 0; i < Rand_M; ++i) { size_t pos = rand() % max_pos; printf (" 乱序 pos: %u len %u/n", pos, sub_len); run_test(func, func_len, &src[pos], sub_len); } #endif } int main() { const HANDLE handle = GetCurrentProcess(); SetPriorityClass(handle, REALTIME_PRIORITY_CLASS); SYSTEM_INFO info; GetSystemInfo(&info); const int num = info.dwNumberOfProcessors; if (num > 1) SetProcessAffinityMask(handle, num); test(); }
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