C++ 尾递归优化

参考来源：https://blog.youkuaiyun.com/fall221/article/details/9158703

用 C++ 重现了一遍。

 

例子：裴波拉契数列： 1,1,2,3,5,8，。。。

用递归求第 n 项：

 
double fabonacci(int n){//normal recursion

        if(n<=0){
                cout<<"wrong parameter for fabonacci(n)!"<<endl;
        }
        else if(n==1){
                return 1;
        }
        else if(n==2){
                return 1;
        }
        else{
                return fabonacci(n-1) + fabonacci(n-2);
        }
}

上面这个算法的时间复杂度是 O(2^n)，比如

fab(6)

= fab(5) + fab(4)

= fab(4) + fab(3) + fab(3) + fab(2)

= fab(3) + fab(2) + fab(2) + fab(1) + fab(2) + fab(1) + fab(2)

= fab(2) + fab(1) + fab(2) + fab(2) + fab(1) + fab(2) + fab(1) + fab(2)

如果不是从 fab(6) 开始，是从 fab(n) 开始，n 又足够大，上式中每行 fab() 个数为 1，2，4，8，16，。。。

所以 fab() 被调用的次数为 O(2^n) 数量级，时间复杂度为 O(2^n)

double tail_fabonacci(int a, int b, int n){
// tail recursion
        if(n<0){
                cout<<"wrong parameter for tail_fabonacci(int, double *)!"<<endl;
        }
        else if(n==0) return a;
        else if(n==1) return b;
        else{
                return tail_fabonacci(b, a+b, n-1);
        }
}

这个算法已经包括了动态规划的意思，从 fab(0), fab(1) 出发，迭代大约 n 次，即可得到结果，时间复杂度为 O(n)，所以算法本身就更优越。

int main(){

        int n;
        cout<<"n=";
        cin>>n;

        time_t t_start=time(0);

　　cout<<"fabonacci(n)="<<fabonacci(n)<<endl;
        time_t t_middle=time(0);

        cout<<"tail recursion: fabonacci(n)="<<tail_fabonacci(0,1,n)<<endl;
        time_t t_end=time(0);

        cout<<"time to calculate normal recursion:"<<t_middle - t_start<<"s"<<endl;
        cout<<"time to calculate tail recursion:"<<t_end - t_middle<<"s"<<endl;
        cout<<"total time:"<<t_end-t_start<<"s"<<endl;

        return 0;
}

 

编译： g++ main.cpp -o main.o

运行结果：

n=50

...

time to calculate normal recursion:186s

time to calculate tail recursion:0s

这很正常。下面是重点——关于尾递归优化。

如果不加 -O2，编译时不会自动做尾递归优化，（我估计）每次递归没有擦去上次的栈帧，所以空间复杂度还是 O(n)。可做实验：注掉调用 fabonacci(n) 那一行，即只测试尾递归，进行编译

g++ main.cpp -o main.o

./main.o

n=1000000

segmentation fault (core dumped)

据我目测，估计是栈内存溢出了。

但如果加上 -O2 进行编译，就可实现尾递归优化

g++ main.cpp -o main.o -O2

./main.o

n=10000000000

tail recursion: fabonacci(n)= -1.07027e+09

time to calculate tail recursion: 3s

上面的结果中，fabonacci(n)= -1.07027e+09 为负值是因为超出了整型范围。但 n=10^{10} 也可以算出来，说明栈内存没有爆。据我目测，耗时 3s 是正常的，因为 10^10 次加法，cpu 3点几的GHz，差不多。

 

另写了个循环函数

double iter_fabonacci(int a, int b, int n){

        for(int i=0;i<n-1;i++){
                int temp=a;
                a=b;
                b=temp+b;
        }
        return b;
}

然后测试了这个循环函数与尾递归函数（开启尾递归优化，即开启 -O2）的耗时对比，如下图

 

用的是 c++ time.h 里的 clock_t 类型，以及 clock() 函数，比如：

        clock_t t_start=clock();
        cout<<"\t\t\tfabonacci(n)="<<iter_fabonacci(0,1,n)<<endl;
        clock_t t_end=clock();
        cout<<"time to do iterations: "<<t_end-t_start<<" microsecond"<<endl;

linux 下 clock() 返回值的单位是 微秒，不信可以加一行

　　cout<<CLOCKS_PER_SECOND<<endl;

会输出 1000000，即单位是 1/1000000 s = 1 微秒。

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我发现了一个问题，如果在尾递归函数中加入一行：

double tail_fabonacci(int a, int b, int n){
// tail recursion

　　cout<<&a<<"\t"<<&b<<endl;
        if(n<0){
                cout<<"wrong parameter for tail_fabonacci(int, double *)!"<<endl;
        }
        else if(n==0) return a;
        else if(n==1) return b;
        else{
                return tail_fabonacci(b, a+b, n-1);
        }
}

 

新加入的这一行 cout<<&a<<"\t"<<&b<<endl; 本意是想看看内存地址的变化，看看是不是真的没有栈开销，但加入这一行以后，再用 “-O2” 编译，运行可执行文件，发现 n=1000000 时就报错 “segmentation error”，似乎尾递归优化失效，和没有加 “-O2” 没有区别了。

转载于:https://www.cnblogs.com/luyi07/p/10157169.html