Effizienz von Programmen
Inhaltsverzeichnis |
Klassifikation von Problemen
- Probleme, die sich einer Formalisierung entziehen
- Absolut unlösbare Probleme: Halteproblem, Wortproblem für Chomsky-Typ-0-Sprachen (FSuA)
- Praktisch unlösbare Probleme: „Baum aller Schachspiele“; AP-Funktion (Speicher und Zeit)
- Algorithmisch (inkl. mit Formel) lösbare Probleme
Effizienzbegriff
FALSCH: Computer sind immer schneller geworden, sodass die Effizienz von Programmen keine Rolle spielt
RICHTIG: Wir bestimmen den Aufwand (Ressourcenverbrauch: Zeit, Speicher) in Abhängigkeit von der Problemgröße n.
Zwei grundlegende Fragen, die wir uns in diesem Lehrgebiet stellen:
- Wie können wir für konkrete Programme bestimmen (vorhersagen, i. S. einer Vorab-Leistungsgarantie), welche Rechenzeit sie zur Lösung eines Problems bestimmter Größe benötigen werden?
- Kann man diesen erforderlichen Zeitaufwand für typische algorithmische Entwurfsmuster angeben bzw. begrenzen?
Effizienzbegriff Zeit-/Speicherbedarf. Die (Zeit-)Effizienz eines Programmes ist umso besser, je weniger Zeit es zur Lösung eines Problems benötigt.
Wir beschränken uns auf die Betrachtung der Zeiteffizienz. Begründung: Trade-off (Tauschgeschäft) zwischen Zeit- und Speichereffizienz. Beispiel „Fibonacci-Zahlen, rekursiv“: Memoizing kostet zwar Speicher aber reduziert die Rechenzeit, da Mehrfachberechnungen vermieden werden. ⇒ Es reicht, sich nur mit der Zeiteffizienz zu beschäftigen.
- Problem: große Unterschiede zwischen einzelnen Probleminstanzen in Bezug auf die Effizienzaussage (z. B. Suchverfahren, wenn das zu suchende Element ganz am Anfang einer Liste steht; Primzahlprüfung für n-stellige natürliche Zahlen)
- Problem: Einfache Lösungen (d. h. schnell ermittelbare Resultate für kleine Problemgrößen) skalieren nicht mit wachsender Problemgröße. D. h. kein linearer Zusammenhang.
- Problem: Wie können wir entscheiden, welche Option für ein Programm die effizienteste ist?
Wie wird Zeiteffizienz gemessen?
… mit einem Timer
Nachteile:
- Zeitmessung ist inkonsistent
- Ziel: verschiedene Algorithmen bewerten
- Laufzeit variiert zwischen Alg., zwischen Implementationen, zwischen Computern auf denen sie laufen
- Ergebnisse sind unter Verwendung kleinerer Inputs nicht vorhersagbar.
- keine Aussage zum Verhältnis zwischen Eingabe und Rechenzeit
… durch Zählen der Operationen
Annahme, dass bestimmte elementare/atomare Operationen (z.B. math. Op., Zuweisungen, Zugriff auf Obj., Vergleiche) konstante Zeit beanspruchen. Dann zählt man die Operationen, die in Abhängigkeit von der Inputgröße ausgeführt werden.
def mysum(x):
total = 0 1 Operation
for i in range(x+1): 1 Operation, x-mal
total += i 2 Operationen, x-mal
return total ---------------------
1 + 3x OperationenErgebnis: Wenn ich die Eingabe verzehnfache, verdreißigfacht sich die Zahl der Elementaroperationen.
Diese Messmethode ist besser als die erste (Zeitmessung), hat Vorteile:
- ist unabhängig vom konkreten (vernetzten) Computer, auf dem das Programm läuft
- Ergebnis ist eine Relation zwischen Input und Zählung
und Nachteile:
- ist implementationsabhängig
- keine klare Definition, welche Operationen zu zählen sind
… als funktionaler Zusammenhang T:n\rightarrow T(n) und abstrakte Notation für die Aufwandsordnung
Suche eines Elements in einer (unsortierten) Liste
def search_for_element(L,e): # Bester Fall: e ist 1. Listenelement
# --> 1 x Zyklus --> konst. Zeit
for i in L: # Schlechtester Fall: e steht ganz am Ende
# --> |L| x Zyklus --> lineare Zeit
if i == e:
return True
return False- Notation \mathcal{O}(n) … asymptotische Ordnung … n ist die Länge der Liste
- Leicht zu übertragen: z.B. zwei ineinander verschachtelte Schleifen, je 1…n: \mathcal{O}(n^2)
- Unabhängigkeit vom Comp., auf dem das Programm läuft
- Takte einer Turingmaschine als abstraktes Modell für die Bit-Komplexität