尾遞歸究竟是好是壞?
最近在看《數據結構與演算法分析,c語言描述》,這裡提到了尾遞歸的概念,書中說尾遞歸是遞歸的一種不好的應用,但是在網上查了一下,看到的對於尾遞歸的描述都是說他的效率比一般遞歸高,且不會造成堆棧溢出,和書中的描述有很大區別啊。求大神可以為我解答一下。書中提到的tail recursion就是圖3.54的代碼。
有尾遞歸優化才比普通遞歸好,而且要注意是「比普通遞歸好」,不是比任意實現都好。這種代碼一般都非常容易寫成循環,沒有必要讓編譯器去優化吧。
遞歸是一種很好的編程思想:簡潔、直觀,令人一目了然;缺點是必須事先確定棧不會溢出、函數調用/返回比循環要慢(需要額外考慮參數傳遞、保護執行現場、局部變數的維護等:所有這些都可能要佔用棧空間,這就使得遞歸層數一旦超過預期就很容易造成stackoverflow)。
已經證明,所有的遞歸都可以改成遞推(但往往需要自己維護一個棧);尤其是其中的尾遞歸,甚至可以按一些機械的步驟改寫成循環,並不需要棧的幫助。
相比尾遞歸,循環佔用的內存空間小而確定,並且無需傳遞參數、保護執行現場、局部變數只需分配一次:可見,無論在時間還是空間上,循環的消耗都比尾遞歸小得多(空間可能僅有尾遞歸的1/N,對簡單遞歸,時間可能也接近1/N。N是實際遞歸次數)。
很明顯,我們就應該用循環替換掉所有的尾遞歸——但前面提到過,尾遞歸甚至可以「通過一些機械的步驟」改寫成循環:這「機械的步驟」,不應該是機器的事嗎?所以,現在幾乎所有編譯器都有「尾遞歸優化」能力。
如果確定自己的編譯器有這種能力,某些問題可能還是直接寫尾遞歸更好:代碼是遞歸,簡潔直觀,編寫、閱讀、維護都更方便;而編譯後的機器碼則是循環,小而快又不會溢出,可謂兩全其美。我個人感覺,雖然從定義問題的角度來看,尾遞歸是更直觀的,但從解決問題的角度來看,卻是循環更直觀。所以我在絕大多數情況下都會寫循環。
在極端情況下,尾遞歸解法會比循環更直觀。這種極端情況我可能經歷過1次,但不記得了。圖片上劃線的後面一句給出來在這本書中尾遞歸的定義:tail recursion refers to a recursive call at the last line.
at the last line在這裡可以理解為在函數return前的一個語句。
所以在這本書中尾遞歸的定義是:函數結束前的遞歸調用。
現在再來分析,這裡說尾遞歸不好,是因為在這個遞歸調用結束以後函數也隨之結束,並且用不到函數的返回值(因為函數返回值void,沒有返回值)。這個時候,完全可以用一個循環來代替遞歸調用,也就是用循環結構代替尾遞歸。
舉一個快排的例子,這裡對指針s和e之間的int類型元素排序:
void sort(int *s, int *e){ if(s &< e) { int *p= partition(s, e); sort(s, p - 1); //標號1 sort(p + 1, e); // 標號2 }}
標號2處就是一個尾遞歸。這個快排函數完全可以改成:
void sort(int *s, int *e){ while(s &< e) { int *p = partition(s, e); sort(s, p - 1); //標號1 s = p + 1; //標號2 }}
這樣就減少了一次遞歸調用,當然這只是表面的,在標號1當中仍然會有這樣的優化,減少的遞歸調用次數就更多了。
這樣看來,既然尾遞歸可以優化,自然是能優化就優化了。
一點題外話:如果按照「tail recursion refers to a recursive call at last line.」的定義,在要返回尾遞歸的值時,這時尾遞歸就有可能是不可避免的了。比如一個函數 f:
datatype f(...)
{ ... datatype a = f(...); return a;}按照定義,datatype 那一行就可以叫做一個尾遞歸。但因為要返回值,這就不大可能避免。當然有一點編程基礎的人都會把最後兩句合併成: return f(...);這個遞歸無法避免,但合併以後,按照定義就不是一個尾遞歸了。
以上。。。(因為最近在山裡,手機純手打,代碼格式之類的請見諒了)所謂效率比一般遞歸高且不會溢出,是因為編譯器替你把尾遞歸改成了循環,並沒有傻傻真做遞歸。你可以選擇做傻碼農,把活兒留給編譯器,也可以自己直接寫循環版。這一點Weiss也寫了吧~
Python 之父 Guido van Rossum 好像曾說過不要用尾遞歸,循環比尾遞歸更自然。一開始我不以為然,因為那時我對尾遞歸的印象就是求最大公約數的遞歸演算法,以及題圖的例子,覺得還是簡潔明快的。
在粗淺地接觸了函數式後,我發現,若想使用純函數式的方式、無副作用地實現某些迭代操作,就會陷入高開銷的非尾遞歸和不自然的尾遞歸之間的兩難選擇(不考慮語言庫封裝好的迭代用輪子。)。以對一個 List[Int] 求和為例:
def sum1(xs: List[Int]): Int = {
if (xs.isEmpty) 0
else xs.head + sum1(xs.tail)
}
def sum2(xs: List[Int]): Int = {
def loop(curr: List[Int], acc: Int): Int = {
if (curr.isEmpty) acc
else loop(curr.tail, acc + curr.head)
}
loop(xs, 0)
}
你寫個簡單的尾遞歸,然後gcc編譯成彙編,你再看看
估計你會發現你的遞歸調用不見了
編譯器:做了點微小的工作,謝謝大家尾遞歸當然好了。。。。尾遞歸基本等於循環啊。。。但是既然尾遞歸了為啥不直接寫出循環,並不是所有編譯器都會對尾遞歸做清棧優化的吧
作為不用寫編譯器的我來說,知道我常用的lua c++ 都支持尾遞歸優化就夠了。至於偶爾用的java python oc,反正偶爾用已經說明情況了,不差那點效率。知道自己常用語言是否支持某個特性就夠了,知道原理不一定是必須的
反正能用循環的,不要用遞歸
推薦閱讀:
※Google MapReduce中的map和reduce與函數式編程中的map,reduce有何異同?
※GitHub 上出眾的程序員有哪些?
※non-trivial 怎樣翻譯?
※如何優雅地將程序設計語言的名字翻譯成漢語?
※大牛編程用的是什麼系統?什麼語言?什麼編譯器?