[转]尾调用优化

梦里梦外; 2023-08-17 16:29 80阅读 0赞

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[尾调用][Link 1]（Tail Call）是函数式编程的一个重要概念，本文介绍它的含义和用法。

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## 一、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，都不属于尾调用。

>     // 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。情况二也属于调用后还有操作，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。

## 二、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。

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"（call frame），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"][Link 2]（call stack）。

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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。

## 三、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。

>     function factorial(n) { if (n === 1) return 1; return n * factorial(n - 1); } factorial(5) // 120

上面代码是一个阶乘函数，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) 。

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

## 四、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。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

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][Link 3]（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。

>     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 。

第二种方法就简单多了，就是采用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。

（\[说明\] 本文摘自我写的[《ECMAScript 6入门》][ECMAScript 6]）

## 五、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。

>  *  `arguments`：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。

## 六、参考链接 ##

*  [尾调用][Link 4]，from 维基百科
 *  [Tail Calls, Default Arguments, and Excessive Recycling in ES-6][Tail Calls_ Default Arguments_ and Excessive Recycling in ES-6], by raganwald
 *  [Proper Tail Calls][], from programming in Lua

（完）

转载于:https://www.cnblogs.com/sugar-tomato/p/11262669.html

[http_www.ruanyifeng.com_blog_2015_04_tail-call.html]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2015/04/tail-call.html
[Link 1]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%BE%E8%B0%83%E7%94%A8
[bg2015041001.jpg]: http://www.ruanyifeng.com/blogimg/asset/2015/bg2015041001.jpg
[Link 2]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B0%83%E7%94%A8%E6%A0%88
[bg2015041002.png]: http://www.ruanyifeng.com/blogimg/asset/2015/bg2015041002.png
[bg2015041003.png]: http://www.ruanyifeng.com/blogimg/asset/2015/bg2015041003.png
[Link 3]: https://en.wikipedia.org/wiki/Currying
[ECMAScript 6]: http://es6.ruanyifeng.com/#docs/function
[Link 4]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%BE%E8%B0%83%E7%94%A8
[Tail Calls_ Default Arguments_ and Excessive Recycling in ES-6]: http://raganwald.com/2015/02/07/tail-calls-defult-arguments-recycling.html
[Proper Tail Calls]: http://www.lua.org/pil/6.3.html