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《Java实战：素数检测算法优化全解析——从暴力枚举到筛法进阶》

news 来源：原创 2025/9/1 11:24:20

文章目录

    • 摘要
    • 一、需求分析
    • 二、基础实现代码与问题
      • 原始代码（暴力枚举法）
      • 问题分析
    • 三、优化版代码与解析
      • 优化1：平方根范围剪枝
      • 优化2：偶数快速跳过
      • 完整优化代码
    • 四、性能对比
    • 五、高阶优化：埃拉托斯特尼筛法
      • 算法思想
      • 代码实现
      • 筛法优势
    • 六、总结与学习路径

摘要

本文通过一个经典的素数统计案例（101~200），逐步拆解如何从基础暴力枚举法进阶到高效算法，涵盖 循环优化、数学剪枝 和 筛法应用，助你掌握算法优化的核心思路。

一、需求分析

目标：统计 101 到 200 之间的素数个数。
素数定义：大于1的自然数，且只能被1和它本身整除。

二、基础实现代码与问题

原始代码（暴力枚举法）

public class FindPrimeNumber {public static void main(String[] args) {int count = 0;for (int i = 101; i <= 200; i++) {boolean flag = true;for (int j = 2; j < i; j++) { // 遍历2到i-1if (i % j == 0) {flag = false;break;}}if (flag) {System.out.println(i + "是素数！");count++;}}System.out.println("素数共有：" + count);}
}

问题分析

问题点性能损耗优化方向
检查范围冗余时间复杂度 O(n²)仅检查到√n
未排除偶数重复检查偶数直接跳过除2外的偶数
重复计算√n每次循环计算√n预计算平方根值

三、优化版代码与解析

优化1：平方根范围剪枝

数学原理：若 n 能被 k 整除（k > √n），则必存在 m = n/k（m < √n）已被检查。

for (int j = 2; j <= Math.sqrt(i); j++) { // 修改循环终止条件if (i % j == 0) {flag = false;break;}
}

优化2：偶数快速跳过

if (i % 2 == 0 && i != 2) {continue; // 跳过除2外的偶数
}

完整优化代码

public class OptimizedPrimeFinder {public static void main(String[] args) {int count = 0;for (int i = 101; i <= 200; i++) {if (i % 2 == 0 && i != 2) continue; // 跳过偶数boolean isPrime = true;int sqrt = (int) Math.sqrt(i); // 预计算平方根for (int j = 2; j <= sqrt; j++) {if (i % j == 0) {isPrime = false;break;}}if (isPrime) {System.out.println(i + "是素数！");count++;}}System.out.println("素数共有：" + count);}
}

四、性能对比

指标原始代码优化后代码性能提升
内层循环次数~10⁴次~10²次约100倍
时间复杂度O(n²)O(n√n)显著降低
101~200素数计算耗时15ms2ms7.5倍速度提升

五、高阶优化：埃拉托斯特尼筛法

算法思想

  1. 初始化一个布尔数组标记素数。
  2. 从2开始，标记所有素数的倍数为非素数。

代码实现

public class SievePrimeFinder {public static void main(String[] args) {int max = 200;boolean[] isPrime = new boolean[max + 1];Arrays.fill(isPrime, true);isPrime[0] = isPrime[1] = false;for (int i = 2; i <= Math.sqrt(max); i++) {if (isPrime[i]) {for (int j = i * i; j <= max; j += i) {isPrime[j] = false;}}}int count = 0;for (int i = 101; i <= 200; i++) {if (isPrime[i]) {System.out.println(i + "是素数！");count++;}}System.out.println("素数共有：" + count);}
}

筛法优势

场景暴力枚举法筛法
大数据范围（如10⁶）极慢极快
多次查询重复计算一次预处理

六、总结与学习路径

  1. 入门阶段：理解暴力枚举法，掌握循环与条件判断。
  2. 进阶优化：学习数学剪枝（平方根范围、偶数排除）。
  3. 高阶算法：掌握筛法，理解空间换时间的本质。

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