十二棵橡树

尾调用和尾递归

橡树上2020-03-15

目录

1. 什么是尾调用(Tail Call)

尾调用的概念很简单,一句话解释就是在一个函数最后一步的时候调用另一个函数。

// 是尾调用
function f(x){
  return g(x);
}
// 不是尾调用
function f(x){
  let y = g(x);
  return y;
}

// 不是尾调用
function f(x){
  return g(x) + 1;
}

2. 尾调用优化

尾调用之所以与众不同,在于它特殊的调用位置。

代码执行的时候,函数调用会形成一个“调用记录”,又称为“调用帧”,保存调用位置和内部变量等信息。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内部还调用函数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"(call stack)。

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,只要直接用内层函数的调用记录,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。但由于调用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"(Tail call optimization),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"尾调用优化"的意义。

3. 尾递归

函数调用自身,称为递归。如果尾调用自身,就称为尾递归。

递归非常耗费内存,因为需要同时保存成千上百个调用记录,很容易发生"栈溢出"错误(stack overflow)。但对于尾递归来说,由于只存在一个调用记录,所以永远不会发生"栈溢出"错误。

// 非尾递归应用,最多需要保存n个调用记录,复杂度 O(n) 。
function factorial(n) {
  if (n === 1) return 1;
  return n * factorial(n - 1);
}

factorial(5) // 120

// 尾递归应用,只保留一个调用记录,复杂度 O(1) 。
function factorial(n, total) {
  if (n === 1) return total;
  return factorial(n - 1, n * total);
}

factorial(5, 1) // 120

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格。ES6也是如此,第一次明确规定,所有 ECMAScript 的实现,都必须部署"尾调用优化"。这就是说,在 ES6 中,只要使用尾递归,就不会发生栈溢出,相对节省内存。

4. 递归函数的改写

尾递归的实现,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。上面的尾递归的例子有一个问题,factorial(5, 1) 的调用方法直观上很容易对参数迷惑,为什么要加第二个参数 1 ?

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

方法二可以利用函数的柯里化,将多参数的函数转换成单参数的形式。

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

以上的思路也可以用于尾递归函数的改造,有助于提高代码质量。

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。

参考