C#中的尾递归与Continuation详解


这几天恰好和朋友谈起了递归,忽然发现不少朋友对于“尾递归”的概念比较模糊,网上搜索一番也没有发现讲解地完整详细的资料,于是写了这么一篇文章,权当一次互联网资料的补充。:P

递归与尾递归

关于递归操作,相信大家都已经不陌生。简单地说,一个函数直接或间接地调用自身,是为直接或间接递归。例如,我们可以使用递归来计算一个单向链表的长度:

Continuation ,即为“完成某件事情”之后“还需要做的事情”。例如,在.NET中标准的APM调用方式,便是由BeginXXX方法和EndXXX方法构成,这其实便是一种Continuation:在完成了BeginXXX方法之后,还需要调用EndXXX方法。而这种做法,也可以体现在尾递归构造中。例如以下为阶乘方法的传统递归定义:
Continuation Passing Style(CPS) ”。由于C#的Lambda表达式能够轻松构成一个匿名方法,我们也可以在C#中实现这样的调用方式。您可能会想——汗,何必搞得这么复杂,计算阶乘和“菲波纳锲”数列不是一下子就能转换成尾递归形式的吗?不过,您试试看以下的例子呢?

对二叉树进行先序遍历(pre-order traversal)是典型的递归操作,假设有如下TreeNode类:

复制代码 代码如下:

public class TreeNode
{
    public TreeNode(int value, TreeNode left, TreeNode right)
    {
        this.Value = value;
        this.Left = left;
        this.Right = right;
    }

    public int Value { get; private set; }

    public TreeNode Left { get; private set; }

    public TreeNode Right { get; private set; }
}

于是我们来传统的先序遍历一下:

复制代码 代码如下:

public static void PreOrderTraversal(TreeNode root)
{
    if (root == null) return;

    Console.WriteLine(root.Value);
    PreOrderTraversal(root.Left);
    PreOrderTraversal(root.Right);
}


您能用“普通”的方式将它转换为尾递归调用吗?这里先后调用了两次PreOrderTraversal,这意味着必然有一次调用没法放在末尾。这时候便要利用到Continuation了:
复制代码 代码如下:

public static void PreOrderTraversal(TreeNode root, Action<TreeNode> continuation)
{
    if (root == null)
    {
        continuation(null);
        return;
    }

    Console.WriteLine(root.Value);

    PreOrderTraversal(root.Left,
        left => PreOrderTraversal(root.Right,
            right => continuation(right)));
}


我们现在把每次递归调用都作为代码的最后一次操作,把接下来的操作使用Continuation包装起来,这样就实现了尾递归,避免了堆栈数据的堆积。可见,虽然使用Continuation是一个略有些“诡异”的使用方式,但是在某些时候它也是必不可少的使用技巧。

Continuation的改进

看看刚才的先序遍历实现,您有没有发现一个有些奇怪的地方?

复制代码 代码如下:

PreOrderTraversal(root.Left,
    left => PreOrderTraversal(root.Right,
        right => continuation(right)));

关于最后一步,我们构造了一个匿名函数作为第二次PreOrderTraversal调用的Continuation,但是其内部直接调用了continuation参数——那么我们为什么不直接把它交给第二次调用呢?如下:
复制代码 代码如下:

PreOrderTraversal(root.Left,
    left => PreOrderTraversal(root.Right, continuation));

我们使用Continuation实现了尾递归,其实是把原本应该分配在栈上的信息丢到了托管堆上。每个匿名方法其实都是托管堆上的对象,虽然说这种生存周期短的对象不会对内存资源方面造成多大问题,但是尽可能减少此类对象,对于性能肯定是有帮助的。这里再举一个更为明显的例子,求二叉树的大小(Size):
复制代码 代码如下:

public static int GetSize(TreeNode root, Func<int, int> continuation)
{
    if (root == null) return continuation(0);
    return GetSize(root.Left,
        leftSize => GetSize(root.Right,
            rightSize => continuation(leftSize + rightSize + 1)));
}

GetSize方法使用了Continuation,它的理解方法是“获取root的大小,再将结果传入continuation,并返回其调用结果”。我们可以将其进行改写,减少Continuation方法的构造次数:
复制代码 代码如下:

public static int GetSize2(TreeNode root, int acc, Func<int, int> continuation)
{
    if (root == null) return continuation(acc);
    return GetSize2(root.Left, acc,
        accLeftSize => GetSize2(root.Right, accLeftSize + 1, continuation));
}

GetSize2方法多了一个累加器参数,同时它的理解方式也有了变化:“将root的大小累加到acc上,再将结果传入continuation,并返回其调用结果”。也就是说GetSize2返回的其实是一个累加值,而并非是root参数的实际尺寸。当然,我们在调用时GetSize2时,只需将累加器置零便可:

复制代码 代码如下:

GetSize2(root, 0, x => x)

不知您清楚了吗?

结束

在命令式编程中,我们解决一些问题往往可以使用循环来代替递归,这样便不会因为数据规模造成堆栈溢出。但是在函数式编程中,要实现“循环”的唯一方法便是“递归”,因此尾递归和CPS对于函数式编程的意义非常重大。了解尾递归,对于编程思维也有很大帮助,因此大家不妨多加思考和练习,让这样的方式为自己所用。


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