算法小专栏:递归与尾递归[通俗易懂]

算法小专栏:递归与尾递归[通俗易懂]本篇将介绍递归与尾递归的相关内容。 递归是一种优雅的解决问题的方法。 递归,简单来说,就是在运行的过程中调用自己。 递归能帮我们处理一些复杂的算法问题,但绝不能滥用递归。 在程序设计角度,循环的性能要好于递归。 从开发角度,使用递归,逻辑上更容易被理解。 所以,要分场合使用递归…

级别: ★☆☆☆☆
标签:「算法」「递归」「recursion」
作者: MrLiuQ
审校: QiShare团队


本篇将介绍递归尾递归的相关内容。

一、什么是“递归”?

递归是一种优雅的解决问题的方法。

看一段最简单的递归例子:

Fibonacci数(斐波那契数):我们都知道Fibonacci数的递推公式为:

  • F(0)=F(1)=1,
  • 当n>=2时,F(n)=F(n-1)+F(n-2)

用Python写,就是这样:

def Fibonacci(n):
    if(n>=2):
        return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2)
    elif (n==0 or n==1):
        return 1
    else:
        return -1

print Fibonacci(20)

递归,简单来说,就是在运行的过程中调用自己。

递归能帮我们处理一些复杂的算法问题,但绝不能滥用递归。 在程序设计角度,循环的性能要好于递归。 从开发角度,使用递归,逻辑上更容易被理解。 所以,要分场合使用递归,用好递归。

二、基线条件和递归条件

一个递归的实现一定少不了基线条件递归条件

那么,什么是“基线条件”?什么又是“递归条件”呢?

名称 描述
递归条件 函数调用自己的条件。
基线条件 函数不再调用自己的条件,从而避免形成无限循环。

拿上面Fibonacci的例子来说,

def Fibonacci(n):
    if(n>=2):
        return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2)
    elif (n==0 or n==1):
        return 1
    else:
        return -1
  • 递归条件:就是 if(n>=2)
  • 基线条件:就是 elif (n==0 or n==1)

PS:在python中,else if的语法是elif

三、栈

本节涉及到了内存方面的知识——调用栈(call stack)。

栈是一种简单的数据结构,当我们调用方法时,系统会执行“压栈”操作;当我们调用完方法时,系统会执行“出栈”操作。

简单来说,

  • 函数调用 就意味着 => 申请栈帧,函数入栈。
  • 函数返回 就意味着 => 推出栈帧,函数出栈。

PS:不过还有一种特殊的情况:叫做尾调用优化(其本质是复用栈帧,即函数调用时,不再申请新栈帧,而是复用旧的栈帧。),在下文3.3节会重点讲解。

3.1 调用栈

我们来看这样一段代码:

def func1(param1):
    func2(param1)
    func3(param1)

def func2(param2):
    print param2

def func3(param3):
    print param3

func1(647)

解析:定义了三个函数,分别是func1func2func3。其中传入的参数名为param1param2param3

而在内存中,会做如下操作:

算法小专栏:递归与尾递归[通俗易懂]

3.2 递归调用栈

递归函数也会使用调用栈,我们称之为“递归调用栈”。

下面,请看这个例子:

def factorial(x):
    if x == 1:
        return 1
    else:
        return x * factorial(x-1)

print factorial(3)

解析:这是一个求阶乘的递归函数。传入参数x,得出x*x-1…*1的值(x>=1)。 而每一次递归,都会申请一个栈帧,这种栈帧就叫做递归调用栈

图解如下:

算法小专栏:递归与尾递归[通俗易懂]

3.3 尾递归

尾递归是一种高级递归方式,它可以不断的复用旧栈帧,已达到最大的内存优化。

注意:不是所有语言都支持尾递归优化(尾调用优化)。
JavaScript、Objective-C、Java、C++等支持尾递归优化,而Python本身是不支持尾递归优化的。
(关于iOS中OC的尾调用优化可以看这篇:iOS objc_msgSend尾调用优化机制详解

Q1:什么是尾递归?什么又是尾调用?

尾递归:在函数最后一步,仅仅返回调用了自身。(注意仅仅两字) 尾调用:在函数最后一步,仅仅返回了一个函数。(注意仅仅两字) 所以,尾递归实际上是属于尾调用的一种特殊情形

Q2:举个尾递归的例子?
int fun(int x) {
  if (x > 0)
    return fun(x-1);
  else
    return 1;
}

在函数的最后一步,仅仅return了本身的函数。符合尾递归。

Q3:尾递归究竟做了什么优化?

两张对比图一目了然:

  • 非尾调用:

算法小专栏:递归与尾递归[通俗易懂]

  • 是尾调用:

算法小专栏:递归与尾递归[通俗易懂]

Q4:尾递归的本质是什么?

答:栈帧的重复利用。


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