PHP 巧用數組降低程式的時間複雜度

關於作者
王丹丹 , IBM 中國系統與技術中心軟體工程師，自從 2006 年加入 IBM，一直從事 Web 系統設計和開發工作，有五年 PHP 應用程式設計開發經驗。

通常開發人員在寫程式的時候，往往是把已經設計好或者構思好的運算邏輯，直接用程式設計語言翻譯出來。程式能順利編譯通過，那是很令人高興的事情。如果此時程式的已耗用時間還能接受，就會沉浸在寫代碼的成就感當中，常常在這個過程中忽略代碼的最佳化。只有當程式運行速度受到影響時，才回過頭去考慮最佳化的事情。本文主要是介紹在 PHP的編程中，如何巧用數組來降低因多層迴圈而引起的時間複雜度的問題。特別是當程式需要多次與資料庫互動時，用此方法來最佳化你的代碼，將會帶給意想不到的效果。
什麼是演算法的時間複雜度
時間複雜度是開發人員用來衡量應用程式演算法優劣的主要因素。客觀地說，演算法的優劣除了和時間複雜度有關，還與空間複雜度密切相關。而隨著裝置硬體設定的不斷提升，對中小型應用程式來說，對演算法的空間複雜度的要求也寬鬆了不少。不過，在當今 Web2.0 時代，對應用程式的時間複雜度卻有了更高的要求。
什麼是演算法的時間複雜度呢？概要來說，是指從演算法中選取一個能代表演算法的原操作，以原操作重複執行的次數作為演算法的時間量度。影響時間複雜度的因素有兩個：一是原操作的執行時間，二是原操作因控制結構引起的執行次數。要把演算法的時間複雜度降下來，降低原操作的執行次數是較為容易的方法，也是主要方法。本文所講述的方法，是通過巧用 PHP 的數組，降低原操作的執行次數，從而達到降低演算法時間複雜度的需求，和大家分享。
演算法的時間量度記作 T(n)=O(f(n))，它表示演算法中基本操作重複執行的次數是問題規模 n 的某個函數 f(n)，也就是說隨著問題規模 n的增大，演算法執行時間的增長率和 f(n)的增長率相同。多數情況下，我們把最深層迴圈內的語句作為原操作來討論演算法的時間複雜度，因為它的執行次數和包含它的語句的頻度相同。一般情況下，對一個問題只需選擇一種基本操作來討論演算法的時間複雜度即可。有時也需要同時考慮多種基本操作。
在 Web開發中，通常一個功能的執行時間或回應時間，不僅僅跟伺服器的響應能力、處理能力有關，還涉及第三方工具的互動時間，如對資料庫的連結時間和對資料進行存取的時間。因而在選定原操作是，需要綜合考慮應用程式各方面的因素，以最大影響程式執行時間的操作為原操作，來衡量演算法的時間複雜度。也就是說，需要程式員在編寫代碼的時候，對重要操作的執行時間能有基本的認識。

常見程式中的時間複雜度分析
我們先看一個例子，假設 Web 程式的開發語言是 PHP，後台採用 DB2 資料庫，PHP 通過 PEAR::DB 資料抽象層來實現對資料庫的訪問。
執行個體
資料庫中有學生表 STUDENTS（見表 1），班級表 CLASSES（見表 2），學產生績表 SCORES（見表 3），需要在 Web 頁面中顯示出本次考試數學成績超過 90 分的同學姓名和所在班級。
表 1. STUDENTS Table
列名
描述
SID
學號
STUNAME
姓名
GENDER
性別
AGE
年齡
CLASSID
班級號
…

表 2. CLASSES Table
列名
描述
CLASSID
班級號
CLASSNAME
班級名
…

表 3. SCORES Table
列名
描述
SID
學生學號
COURSE
學科
SCORE
成績
…

根據個人編程習慣的不同，要解決這個問題，通常有兩種做法（訪問資料庫的操作用 PEAR::DB 的方式表示），參看方法 1、2。
[ 方法 1 ]對 STUDENTS, CLASSES, SCORES 三個表做聯集查詢，一次擷取滿足條件的學生資訊和班級資訊。PHP 演算法描述如下：

清單 1. 方法 1 複製代碼 代碼如下:$querystr = "select distinct S.STUNAME as STUNAME,C.CLASSNAME as CLASSNAME ".
"from STUDENTS as S,CLASSES as C,SCORES as R ".
"where S.SID=R.SID and S.CLASSID=C.CLASSID and R.COURSE='Math' ".
"and R.SCORE>=90";
$result = $db2handle->query( $querystr ); //從資料庫中擷取資料
while( $row=$result->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC) ){
//讀取並顯示資料
echo "StudentName=".$row['STUNAME']."\t ClassName=".$row['CLASSNAME']."\n";
}//Done

[ 方法 2 ]從 SCORES 表中找出滿足條件的學生學號，然後從 STUDENTS 表中尋找學生的姓名和班級編碼，最後在 CLASSES 表中擷取班級的名稱。PHP 演算法描述如下：

清單 2. 方法 2 複製代碼 代碼如下:$scorestr = "select distinct SID from SCORES where COURSE='Math' and SCORE>=90";
$scoredata = $db2handle->query( $scorestr );
//從資料庫中擷取滿足條件的學生學號
while( $score=$scoredata->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC) ){
//讀取學生的學號，並在STUDENTS表中尋找學生的姓名和班級編號
$studentstr = "select STUNAME,CLASSID from STUDENTS where SID='".$score['SID']."'";
$studata =$db2handle->query( $studentstr);
$stu=$studata->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC);
//顯示學生的姓名
echo "StudentName=".$stu['STUNAME']."\t ";
//讀去學生的班級編號，並在CLASSES表中尋找該學生所在班級名稱
$classstr = "select CLASSNAME from CLASSES where CLASSID='".$stu['CLASSID']."'";
$classdata = $db2handle->query( $classstr);
$class=$classdata ->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC);
//顯示學生的班級
echo "CLASSNAME=".$class['CLASSNAME']."\n";
}//end while for getting each student's ID. Done

對於這樣的演算法描述，相信大家會有似曾相識的感覺。這也是大多程式員廣泛使用的演算法。因為已經習慣了將思維中的演算法邏輯直接譯成代碼，而往往沒有時間和心思來斟酌演算法的優劣。這裡來分析一下這兩種演算法的時間複雜度。
因Web 服務器讀取並顯示資料的時間相對較小，一般在 10ms 的數量級，而從 DB2 資料庫裡查詢並擷取資料的時間數量級會是 100ms的數量級，並且隨查詢資料量的增加而增加。所以查詢資料庫的操作可作為量度時間複雜度的原操作，以 STUDENTS 表和 SCORES表中的資料量作為問題規模 n( 通常情況下，CLASSES 表的資料量較小且相對穩定 )。
對於方法 1，隨著問題規模n 的增大，訪問資料庫的次數為常量 1。因而，時間複雜度為 T(n)=O(1)。對於方法 2，假設 SCORES 表中滿足條件的記錄有 m個，則原操作的執行次數為 m+1。也就是說隨著資料規模 n 的增大，原操作的執行次數成線性增長。可見時間複雜度為T(n)=O(n)。可見，方法 1 的時間複雜度低。
那麼方法 1 的問題在哪裡？主要因為方法 1會增大資料庫負載，也就是原操作的執行時間受問題規模 n 的影響比較大。假設 STUDENTS，CLASSES，SCORES 的記錄數分別為X, Y, Z。那麼在執行聯集查詢操作時，在資料庫中會形成一個記錄數為 X*Y*Z的矩陣，然後在這個矩陣中尋找滿足條件的記錄數，最後擷取記錄的 STUNAME 資訊和CLASSNAME。這樣，任何一個表中的資料增加，都會造成矩陣表中記錄的成倍增加。

用數組來最佳化演算法
主要思路 :在所需資料中存在相對簡單且資料量穩定的情況下，利用 PHP 數組 (Array) 的下標 (Index) 可以為字串 (String)的特點，巧妙的將資料臨時存放到數組中。這樣可以通過下標 (Index) 快速擷取所需值，從而降低對資料庫的查詢次數，進而降低演算法的時間複雜度。
[ 方法 3 ]從CLASSES 表中擷取 CLASSID 和 CLASSNAME 的對應關係存放到 ClassArray 一維數組中，從 STUDENTS表中擷取 SID 和 STUNAME 以及 CLASSID 的對應關係存放到 StuArray 二維數組中。之後從 SCORES表中找出滿足條件的學生學號，從 StuArray 數組中讀取學生的姓名和班級編號，從 ClassArray 中讀取班級的名稱。PHP演算法描述如下：

清單 3. 方法 3 複製代碼 代碼如下:$ClassArray = Array();
$StuArray = Array();
$classstr = "select CLASSID,CLASSNAME from CLASSES";
$classdata = $db2handle->query( $classstr);
while( $class=$classdata ->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC) ){
//產生ClassArray數組，下標Index以CLASSID命名，對應的值為CLASSNAME
$ClassArray[$class['CLASSID']] = $class['CLASSNAME'];
}//end while $ClassArray
$stustr="select SID,STUNAME,CLASSID from STUDENTS";
$studata = $db2handle->query( $stustr);
while( $stu=$studata ->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC) ){
//產生StuArray數組，下標Index以SID命名，對應的值為STUNAME和CLASSID
$StuArray[$stu ['SID']]['STUNAME'] = $stu['STUNAME'];
$StuArray[$stu ['SID']]['CLASSID'] = $stu['CLASSID'];
}//end while $StuArray
$scorestr = "select distinct SID from SCORES where COURSE='Math' and SCORE>=90";
$scoredata = $db2handle->query( $scorestr );
//從資料庫中擷取滿足條件的學生學號
while( $score=$scoredata->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC) ){
//讀取學生的學號，並從StuArray中讀取學生的姓名，從ClassArray中讀取班級名稱
echo "StudentName=".$StuArray[ $score['SID'] ]['STUNAME']."\t ";
echo "CLASSNAME=".$ClassArray[ $StuArray[ $score['SID'] ]['CLASSID'] ]."\n";
}//end while for getting each student's ID. Done

改進後方法的時間複雜度仍為 T(n)=O(1)。和方法 1 相比，方法 3 不必擔心因某一個表中的記錄增加而引起的資料庫查詢代價的成倍增加。和方法 2 相比，時間複雜度降低的同時，也沒有影響演算法空間複雜度。可謂一舉兩得。
雖然此最佳化方法簡單易用，但並不是說它是萬能的。使用時需要考慮“度”的問題。假設 STUDENTS 表的資料量很大，那麼產生 StuArray的時候對系統記憶體的消耗就增加，這樣演算法的空間複雜度就會受到影響。另外，當資料量足夠大時，影響演算法執行時間的主要因素就發生了變化，需要重新選擇原操作。針對 STUDENTS 表記錄數大，CLASSES表記錄少且穩定的情景，可以考慮用巢狀查詢和數組相結合的方式，對演算法進行最佳化。這裡給出方法 4，以供參考。
[ 方法 4 ]從CLASSES 表中擷取 CLASSID 和 CLASSNAME 的對應關係存放到 ClassArray 一維數組中。從 SCORES表中查詢滿足條件的學生學號，作為查詢 STUDENTS 表的查詢條件，擷取學生的 STUNAME 和 CLASSID。之後從ClassArray 中讀取班級的名稱。PHP 演算法描述如下：

清單 4. 方法 4

複製代碼 代碼如下:$ClassArray = Array();
$classstr = "select CLASSID,CLASSNAME from CLASSES";
$classdata = $db2handle->query( $classstr);
while( $class=$classdata ->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC) ){
//產生ClassArray數組，下標Index以CLASSID命名，對應的值為CLASSNAME
$ClassArray[$class['CLASSID']] = $class['CLASSNAME'];
}//end while $ClassArray
$stustr = "select STUNAME,CLASSID from STUDENTS where SID in ".
"(select distinct SID from SCORES where COURSE='M' and SCORE>=90)";
$studata = $db2handle->query( $stustr);
//從資料庫中擷取滿足條件的學生姓名和班級編號
while( $stu=$studata ->fetchRow(DB_FETCHMODE_ASSOC) ){
//讀取學生的姓名，並從ClassArray中讀取班級名稱
echo "StudentName=".$stu ['STUNAME']."\t ";
echo "CLASSNAME=".$ClassArray[ $stu ['CLASSID'] ]."\n";
}//end while for getting each student's Info. Done

總結
方法 3 和方法 4中引用了數組這個小技巧，巧妙地降低了演算法的時間複雜度。在實際應用程式中，演算法邏輯要複雜得多，對演算法的最佳化需要綜合考慮多方面的因素。需要提出的是，本文所述的方法不僅適用於 PHP應用程式。如果程式設計語言的數組支援以字串作為下標，就可以考慮採用本文提出的方法：巧用數組的下標來降低演算法的時間複雜度。對於不支援字串做數組下標的程式設計語言，可以考慮使用建立雜湊表來達到同樣的效果。