1.递归与栈
无论是否递归调用,当在一个函数(外层函数)的运行期间调用另一个函数(被调用函数,即内层函数)时,在运行被调用函数之前,系统需要先完成3个操作,即:
- 将所有的实参、返回地址等信息传递给被调函数保存;
- 为被调函数的局部变量分配存储区;
- 将控制转移到被调函数的入口。
从被调函数返回调用函数(外层函数)之前,系统还要完成3个操作,即:
- 保存被调函数的计算结果;
- 释放被调函数的数据区;
- 依照被调函数保存的地址将控制权转移到调用函数(外层函数)。
当有多个函数构成嵌套调用时,按照"后调用先返回"的原则,上述函数之间的信息传递和控制转移必须通过"栈"来实现,每当调用一个函数时,就在栈顶为它分配一个存储区,每当退出一个函数时,就释放它的存储区,当前正在运行的函数的数据区必在栈顶。递归函数
的运行过程类似于多个函数的嵌套调用,只是调用和被调用函数是同一个函数。
函数调用时,需要在栈中分配新的帧,将返回地址
,调用参数
和局部变量
入栈。所以递归调用越深,占用的栈空间越多。
假设n = 3,该递归的执行步骤,即圧栈、出栈的说明如下:
function recursive(int n) {
if(n == 1) return 1;
doSomething();
recursive(n-1);
doOtherThing();
}
递归与调用栈
2.尾递归
为了解决递归的开销大问题,使用尾递归优化,具体分两步:
1)编码时,把递归调用的形式写成尾递归的形式;
2)编译时,编译器碰到尾递归,自动按照某种特定的方式进行优化编译
使用尾递归的好处:因为进入下一层函数不再需要参考外层函数的信息,因此没必要保存外层函数的栈信息,递归需要用的stack只有目前这层被调用函数的,因此避免了栈溢出风险。
一些语言提供了尾递归优化特性,当识别出使用了尾递归时,会相应地只保留当前层函数的stack,节省内存,不会发生stackOverflowException调用栈溢出。
注意:
JVM缺乏尾调用指令,java编译器对尾递归的优化未实现,所以在java中尽量避免过深的递归调用,如果需要使用递归,建议优化成迭代式。*
function story() {
从前有座山,
山上有座庙,
庙里有个老和尚,
一天老和尚对小和尚讲故事:
story() // 尾递归,进入下一个函数不再需要上一个函数的环境了,得出结果以后直接返回。
}
/**
* 尾递归的精髓在于往内进行下一层解析的时候,这一层函数执行完了,不再需要在保留出栈时需要从当前
的执行到的行、相关变量值继续的信息。所以空间复杂度是O(1)。
*/
function story() {
从前有座山,
山上有座庙,
庙里有个老和尚,
一天老和尚对小和尚讲故事:
story(),
小和尚听了,
找了块豆腐撞死了 // 非尾递归,下一个函数结束以后此函数还有后续,
//所以必须保存本身的环境以供处理返回值。
}
尾递归就是操作的最后一步是调用自身的递归。注意,尾递归的判断标准是函数运行 最后一步 是否调用自身,而不是是否在函数的最后一行调用自身。
这个不是尾递归:
function fibonacci(n) {
...
if (n === 1) return 1;
...
return n * fibonacci(n-1); // 最后一步是乘法运算,而不是调用自身,因此不是尾递归
}
这个是尾递归:
function fibonacci(n,m,result) {
...
if (n === 1) return 1;
...
return fibonacci(n,n-1,n*(n-1));
}
3.二叉树遍历中的两次递归示例
/**
* 10
* / \
* 6 14
* / \ / \
* 5 8 12 19
* / \ \
* 4 9 11
*
*/
public void preOrderVisit(Node n){
//退出递归的条件:到达叶子节点
if(n == null) return;
System.out.println("<前序>--左/右子树圧栈--当前节点值 ---> " + n.value);
/**递归,实际是圧栈过程,可以理解为分两个过程执行:
step1:递归嵌套过程(圧栈过程,圧栈时记录当前函数执行状态,包括当前执行
到哪行、当前局部变量值等,传递给被调用函数(自己)),即调用自身
的过程,圧栈时在递归调用前的每一行代码都被执行,递归调用后面的代
码不能到达执行(递归处可理解为while(true)循环)。一直到达左侧遍
历递归终止条件。
类似while true循环,连续输出10 6 5 4
*/
preOrderVisit(n.left); //4:无下一个左子节点,执行下一行命令
//此处左子树函数站开始出栈,4已出栈,从5开始回溯到根节点,回溯过程执行的是递归命令后面的代码行
System.out.println("<中序>--左子树出栈--当前节点值--->" + n.value);//左子树结束递归嵌套后执行该行
//当前是节点4,输出中序4
preOrderVisit(n.right);//转入执行该递归嵌套。后续左子树每一次出栈都进入右子树递归,转进右子树的入栈、出栈过程,4无右子树,未进入递归圧栈过程,执行下一行
System.out.println("<后序>--右子树出栈--当前节点值--->" + n.value);//输出后续4
}
参考:
[1].什么是尾递归
[2].尾调用优化
[3].栈是如何实现递归的:递归与栈一些不得不说的事
[4].stack 的三种含义
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