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将递归转换为“尾递归”

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我有一个关于如何将“递归”转换为“尾递归”的问题。这不是功课,只是当我尝试完善算法书中的递归定理时弹出的一个问题。我熟悉使用递归的两个典型示例(阶乘和斐波那契序列),并且还知道如何以递归方式和尾递归方式实现它们。我的代码如下(我使用Perl只是为了使其简单,但是可以轻松地转换为C
/ Java / C ++)

#this is the recursive function
sub recP    {
    my ($n) = @_;
    if ($n==0 or $n==1 or $n==2)    {
        return 1;
    } else {
        return (recP($n-3)*recP($n-1))+1;
    }

}
for (my $k=1;$k<10;$k++) {
    print "*"x10,"\n";
    print "recP($k)=", recP($k), "\n";
}

运行代码时,输​​出如下:

recP(1)=1 
recP(2)=1 
recP(3)=2 
recP(4)=3 
recP(5)=4 
recP(6)=9 
recP(7)=28 
recP(8)=113 
recP(9)=1018

递归函数在返回之前用不同的参数调用两次;我尝试了几种方法将其转换为尾部递归方法,但事实证明都是错误的。

有人可以看一下代码,然后向我展示使其尾部递归的正确方法吗?特别是我相信有一个用于此树递归的转换例程(在返回之前多次调用递归函数),对此有什么启发?因此,以后我可以使用相同的逻辑来处理不同的问题。提前致谢。


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2020-07-28

共1个答案

小编典典

尽管您经常看到以下示例作为将阶乘转换为尾部调用的示例:

int factorial(int n, int acc=1) {
  if (n <= 1) return acc;
  else        return factorial(n-1, n*acc);
}

这不是很正确,因为它要求乘法同时具有关联性和可交换性。(乘法
关联的和可交换的,但是上面的方法不能作为不满足这些约束的其他操作的模型。)更好的解决方案可能是:

int factorial(int n, int k=1, int acc=1) {
  if (n == 0) return acc;
  else        return factorial(n-1, k+1, acc*k);
}

这也可以作为斐波那契变换的模型:

int fibonacci(int n, int a=1, int b=0) {
  if (n == 0) return a;
  else        return fibonacci(n-1, a+b, a);
}

请注意,它们从头开始计算序列,而不是在调用堆栈中排队未决的继续。因此,它们在结构上更像是迭代解决方案,而不是递归解决方案。但是,与迭代程序不同,它们从不修改任何变量。所有绑定都是恒定的。这是一个有趣且有用的属性。在这些简单的情况下,它并没有太大的区别,但是编写代码时无需重新分配就可以使一些编译器优化更加容易。

无论如何,最后一个确实为您的递归函数提供了一个模型。像斐波那契数列一样,我们需要保留相关的过去值,但是我们需要三个而不是两个:

int mouse(int n, int a=1, int b=1, int c=1) {
  if (n <=2 ) return a;
  else        return mouse(n-1, a*c+1, a, b);
}

附加物

在评论中,提出了两个问题。我将在这里回答他们(还有一个)。

首先,应该清楚(考虑到没有函数调用概念的基础机器体系结构),任何函数调用都可以改写为goto(可能是无边界的中间存储)。此外,任何goto都可以表示为尾叫。因此有可能(但不一定很漂亮)将任何递归重写为尾递归。

通常的机制是“连续传递样式”,这是一种奇特的说法,即每次您要调用函数时,您都将当前函数的其余部分打包为新函数(“连续”),然后传递该函数。到被调用函数的延续。由于每个函数随后都将连续性作为参数接收,因此它必须通过调用接收到的连续性来完成其创建的任何连续性。

那可能足以使您的头旋转,所以我换一种说法:将参数和延续位置推入堆栈,而不是将参数和返回位置推入堆栈并调用一个函数(稍后将返回),并转到一个函数,该函数随后将转到继续位置。简而言之,只需将堆栈作为显式参数,然后就无需返回。这种编程风格在事件驱动的代码中很常见(请参阅Python
Twisted),并且编写(和阅读)确实很痛苦。因此,我强烈建议让编译器为您执行此转换,如果您可以找到可以做到的转换。

@xxmouse 建议我从帽子中取出递归方程,并询问它是如何得出的。它只是原始的递归,但重新定义为单个元组的转换:

fn = fn-1*fn-3 + 1 => Fn = <Fn-11*Fn-13+1, Fn-11, Fn-12>

我不知道这是否更清楚,但这是我能做的最好的。看一下斐波那契示例,情况稍微简单一些。

@j_random_hacker
询问此转换的限制是什么。它适用于递归序列,其中每个元素可以由先前k元素的某些公式表示,其中k是一个常数。还有其他方法可以产生尾调用递归。例如:

// For didactic purposes only
bool is_odd(int n) { return n%2 == 1; }

int power(int x, int n, int acc=1) {
  if (n == 0)         return acc;
  else if (is_odd(n)) return power(x, n-1, acc*x);
  else                return power(x*x, n/2, acc);
}

上面的是 一样的通常的非尾调用递归,它不乘法的不同(但等效的和等长的)序列。

int squared(n) { return n * n; }

int power(int x, int n) {
  if (n == 0)         return 1;
  else if (is_odd(n)) return x * power(x, n-1));
  else                return squared(power(x, n/2));
}

感谢Alexey Frunze进行以下测试:输出(ideone):

mouse(0) = 1
mouse(1) = 1
mouse(2) = 1
mouse(3) = 2
mouse(4) = 3
mouse(5) = 4
mouse(6) = 9
mouse(7) = 28
mouse(8) = 113
mouse(9) = 1018
2020-07-28