尾遞歸和編譯器優化

最近看到尾遞歸，所謂的尾遞歸wiki解釋如下：

尾部遞歸是一種編程技巧。遞歸函數是指一些會在函數內調用自己的函數，如果在遞歸函數中，遞歸調用返回的結果總被直接返回，則稱為尾部遞歸。尾部遞歸的函數有助將算法轉化成函數編程語言，而且從編譯器角度來說，亦容易優化成為普通循環。這是因為從電腦的基本面來說，所有的循環都是利用重復移跳到代碼的開頭來實現的。如果有尾部歸遞，就只需要疊套一個堆棧，因為電腦只需要將函數的參數改變再重新調用一次。利用尾部遞歸最主要的目的是要優化，例如在Scheme語言中，明確規定必須針對尾部遞歸作優化。^[1][2]可見尾部遞歸的作用，是非常依賴於具體實現的。(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%BE%E9%80%92%E5%BD%92)

舉個例子，求一個數的階乘：

long FactorialCal(long x)
{
    if(x==1)
        return x;
    return FactorialCal(x-1)*x;
}
long FactorialCal2(int x, int ncount, long lresult)
{
    if(x>ncount)
        return lresult;
    return FactorialCal2(x+1, ncount, x*lresult);
}

FactorialCal就是一般遞歸，而FactorialCal2則是尾遞歸調用，因為這種調用總是在函數末尾執行，並且不會用到調用函數里的任何局部變量。所以有些編譯器對此進行優化，在被調用函數執行時，直接利用調用函數的堆棧，不需要重新開辟堆棧空間，所以一般不會導致遞歸中出現的棧溢出。而一般遞歸因為調用過程中會存儲局部變量，所以調用次數太多時就會發生溢出。但是並不是所有編譯器都會對尾遞歸進行優化，一般在函數式編程語言中會優化(可以參考這篇博文：http://www.cnblogs.com/JeffreyZhao/archive/2009/04/01/tail-recursion-explanation.html)。而我們使用的c，c++編譯器默認不會對此優化，需要指定優化選項編譯器才會主動優化尾遞歸代碼。

這里列舉一個利用遞歸求鏈表長度的例子：

struct Node
{
    int data;
    Node *pnext;
};
class List
{
private:
    Node *m_phead;
public:
    List()
    {
        m_phead = new Node;
        m_phead->data = 0;
        m_phead->pnext = NULL;
    }
    ~List()
    {
        //.........;
    }
    const Node* GetHead() const
    {
        return m_phead;
    }
    void add(unsigned ncount)
    {
        unsigned index;
        Node *ptail = m_phead;
        Node *ptemp = m_phead;
        while(ptemp!=NULL)
        {
            ptail = ptemp;
            ptemp = ptemp->pnext;
        }
        for(index=0; index<ncount; index++)
        {            
            ptemp = new Node;
            ptemp->data = index;
            ptemp->pnext = NULL;
            
            ptail->pnext = ptemp;
            ptail = ptemp;
        }
    }
};
int GetListLen(const Node *plist)
{
    
    if(plist == NULL)
        return 0;
    return GetListLen(plist->pnext)+1;
}
int GetListLen2(const Node *plist, int nlen)
{
    if(plist == NULL)
        return nlen;
    return GetListLen2(plist->pnext, nlen+1);
}
int main(int argc, char **argv)
{
    List ltest;
    ltest.add(100000);
    
    //int nresult1 = GetListLen(ltest.GetHead());
    int nresult2 = 0;
    nresult2 = GetListLen2(ltest.GetHead(),nresult2);
    //cout<<"nresult1="<<nresult1<<endl;
    cout<<"nresult2="<<nresult2<<endl;
    
    return 0;
}

上面程序的編譯器是g++。List的析構函數這里沒有寫，因為只是想驗證一下，一般遞歸調用方式和尾遞歸調用方式下，編譯器有沒有區別對待。如果編譯器能對尾遞歸進行優化，那么GetListLen2不會產生棧溢出，從而能正確求出鏈表長度。試驗中我們構造了一個擁有1萬個節點的鏈表，而兩種遞歸方式都無法求出其長度(產生棧溢出)。所以編譯器並沒有對尾遞歸進行優化。在平時的編程過程中，盡可能的用循環代替遞歸，可以防止遞歸調用過程中的棧溢出。

 2013/9/2 ps: 感謝一樓的回復，我重新試了一下，對於vs的編譯器，在指定優化選項為-O1及以上時，遞歸深度較大時，尾遞歸不會崩潰，而一般的遞歸就不行了，但是還有一個問題沒有搞清楚，我看了匯編代碼(下圖所示，左邊為優化后的，后邊為沒有優化的，可以看到編譯器只是對寄存器的讀寫進行了優化)，發現優化后的匯編里面並沒有將尾遞歸轉化成循環，這很奇怪。另外，在StackOverFlow上有人告訴我，判斷編譯器是否對尾遞歸進行了優化，你可以在遞歸里面查看它的局部變量的地址是否改變，如果改變了就沒有優化，如果沒變則說明優化了，所以我按照這個辦法試了一下，但是發現無論是否優化，尾遞歸里面的局部變量地址都發生了變化。對於gcc編譯器，-O2優化選項會優化尾遞歸。

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