说一说如何优化-尾部递归

说一说如何优化-尾部递归

原文:https://mp.weixin.qq.com/s/I-QIsLhykupreVKBHNmbwg


本文主要介绍的是,递归的性能优化方案--尾递归优化,以及如何对下列函数用尾递归进行优化?

引子: 先上题,再解析这道题目中包含的信息。

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什么是尾调用

尾调用的概念非常简单,一句话就能说清楚,就是指某个函数的最后一步是调用另一个函数

    function f(x) {
        return g(x)
    }

上面代码中,函数f 的最后一步是调用函数g,这就叫尾调用

以下两种情况下,均属于尾调用。

    // 情况一
    function f(x) {
        let y = g(x)
        return y
    }
    // 情况二
    function f(x) {
        return g(x) + 1
    }

上面代码中,情况一是调用函数g之后,还有别的操作,所以不属于尾调用,即使语义完全一样。情况二也属于尾部调用之后还有操作,即使写在一行内

尾调用不一定出现在函数尾部,只要是最后一步操作即可

    function f(x) {
        if(x > 0) {
            return m(x)
        }
        return n(x)
    }

上面代码中,函数m和n都属于尾调用,因为它们都是函数f的最后一步操作

尾调用优化

尾调用之所以与其他调用不同,就在于它的特殊的调用位置。

调用记录:可以理解为函数在哪个点执行的。

我们知道,函数调用会在内存形成一个调用记录,又称调用帧,保存 调用位置内部变量 等信息。如果在函数A 的内部调用函数B,那么在A的调用记录上方,还会形成一个B的调用记录。等到B 运行结束,将结果返回到A,B的调用记录才会消失。如果函数B内部还调用了函数菜C,那就还有一个C的调用记录栈,以此类推。所有的调用记录,就形成一个调用栈

在下面这个图中,最外层的函数A 可以理解为 previous Frame,函数A里面得函数B可以理解为调用帧。同理函数C 也是一样,等到里面的函数依次执行完毕,它们的调用记录才会消失

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尾调用,由于是函数的最后一步操作,所以不需要保留外层函数的调用记录,因为调用位置,内部变量等信息都不会再用到了,只要直接用内部函数的调用记录,取代外层函数的调用记录就可以了。

    function f() {
        let m = 1;
        let n = 2;
        return g(m+n)
    }
    f()

    // 等同于
    function f() {
        return g(3)
    }
    f()

    // 等同于
    g(3)

上面的代码中,如果函数g不是尾调用,函数f就需要保存内部变量m和n的值,g的调用位置等信息。由于调用g之后,函数f就结束了,所以执行到最后一步,完全可以删除 f() 的调用记录,只保留g(3)的调用记录

这就叫做尾调用优化,即只保留内层函数的调用记录。如果所有函数都是尾调用,那么完全可以做到每次执行时,调用记录只有一项,这将大大节省内存,这就是尾调用的意义

尾递归

函数调用自身,称为递归。如果尾调调用自身,就称为尾递归

递归非常消耗内存,因为需要同时保存成百上千个调用记录,很容易发生栈溢出的错误。但对于递归来说,由于只存在一个调用记录,所以永远不会发生栈溢出的错误

    var mutiply = function(n) {
        if(n === 0) return 1;
        return n * mutipy(n - 1)
    }
    mutipy(5)

我们可以看出来这是一道求10的阶乘计算题,是一个阶乘函数,计算n的阶乘,最多需要保存n个调用记录,复杂度O(n)

如果改写成尾递归,只保留一个调用记录,复杂度O(1)

    var mutiply = function(n, total) {
        if(n === 0 ) return total
        return mutiply(n - 1, n*total)
    }

    mutipy(5,1) // 120
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由此可见,尾调用优化对递归操作意义重大,所以一些函数式编程语言将其写入了语言规范。ES6也是如此,第一次明确规定,所有ECMASCRIP 的实现都必须部署 尾调用优化。这就是说,再 es6 中只要使用了 尾递归 就不会发生栈溢出,相对节省内存

其实就是相当于,10的阶乘。就等于把阶乘拆成10个函数来执行。分别创建10个函数执行上下文

无尾递归优化:

    var mutipy = function(n) {
        if(n === 0 ) return 1 
        return n * mutipy(n  - 1)
    }

如果我们不做尾递归优化的话,就相当于,第一次mutipy 函数的时候,创建了一个函数执行上下文,要在一个上下文里做10的阶乘,这样就形成了闭包了,内部函数mutipy(n-1)每次都会用到其外部的变量n。所以很容易出现栈溢出情况。

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递归函数的改写

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尾部递归的实现,往往需要改写递归函数,确保最后一步只调用自身。做到这一点的方法,就是把所有用到的内部变量改写成函数的参数。比如上面的例子,阶乘函数factorial需要用到一个中间变量 total 那就把这个中间变量改写成函数的参数。这样做的缺点就是不太直观,第一眼很难看出来,为什么计算5的阶乘,需要传入两个参数 5 和 11

两个方法可以解决这个问题。

方法一:是在尾递归函数之外,再提供一个正常形式的函数

    function tailFactorial(n, total) {
        if(n === 1) return total;
        return tailFactorial(n-1, n*total)
    }

    function factorial(n) {
    return tailFactorial(n, 1);
    }

    factorial(5) // 120

上面代码通过一个正常形式的阶乘函数 factorial ,调用尾递归函数tailFactorial ,看起来就正常多了。

函数式编程有一个概念,叫做柯里化(currying),意思是将多参数的函数转换成单参数的形式。这里也可以使用柯里化函数思想。

    function currying(fn, n) {
    return function (m) {
        return fn.call(this, m, n);
    };
    }

    function tailFactorial(n, total) {
    if (n === 1) return total;
    return tailFactorial(n - 1, n * total);
    }

    const factorial = currying(tailFactorial, 1);

    factorial(5) // 120

上面代码通过柯里化,将尾递归函数 tailFactorial 变为只接受1个参数的 factorial。

方法二:采用ES6的函数默认值。

    function factorial(n, total = 1) {
    if (n === 1) return total;
    return factorial(n - 1, n * total);
    }

    factorial(5) // 120

上面代码中,参数 total 有默认值1,所以调用时不用提供这个值。

总结一下,递归本质上是一种循环操作。纯粹的函数式编程语言没有循环操作命令,所有的循环都用递归实现,这就是为什么尾递归对这些语言极其重要。对于其他支持"尾调用优化"的语言(比如Lua,ES6),只需要知道循环可以用递归代替,而一旦使用递归,就最好使用尾递归。

尾递归优化的魅力

从下图中,我们就可以看出,单单是求5的阶乘,就提升了5ms之快,可以说厉害的惊人了!

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使用条件- 严格模式

ES6 的尾调用优化只在严格模式下开启,正常模式是无效的。这是因为在正常模式下,函数内部有两个变量,可以跟踪函数的调用栈

    argument: 返回调用时函数的参数
    func.caller: 返回调用当前函数的那个函数

尾调用优化发生时,函数的调用栈会改写,因此上面两个变量就会失真。严格模式禁用这两个变量,所以尾调用模式仅在严格模式下生效

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