探索c#之尾遞歸編譯器優化

閱讀目錄:

1. 遞歸運用
2. 尾遞歸優化
3. 編譯器優化

遞歸運用

一個函數直接或間接的調用自身，這個函數即可叫做遞歸函數。

• 遞歸主要功能是把問題轉換成較小規模的子問題，以子問題的解去逐漸逼近最終結果。

• 遞歸最重要的是邊界條件，這個邊界是整個遞歸的終止條件。

static int RecFact(int x)
{
    if (x == 0)
        return 1;
    return x * RecFact(x - 1);
}
RecFact(10);

上面是個經典階乘函數的實現。這里分2步：

• 轉換，把10的階乘轉化成10*9!，10(9*8!)....每次轉換規模就變的更小。
• 逼近，轉換到最小規模時0!，求解1。開始逆向合並逐漸逼近到10,得出解。

這里的x==0就是我們的邊界條件(即終止條件)，也有的依賴外部變量為邊界。

如果一個遞歸函數沒有邊界，也就無法停止(無限循環至內存溢出)，當然這樣也沒什么意義。

RecFact調用堆棧：

常見使用場景：

• 階乘/斐波那契數列/漢諾塔
• 遍歷硬盤文件
• InnerExceptions異常撲捉(exception.InnerException==null)

尾遞歸優化

當邊界不明確的時候，遞歸就很容易出現溢出問題。

在階乘過程中，堆棧需要保存每次(RecFact)調用的返回地址及當時所有的局部變量狀態，期間堆棧空間是無法釋放的(即容易出現溢出)。

為了優化堆棧占用問題，從而提出尾遞歸優化的辦法。

    static void TailRecursion(int x)
    {
        Console.WriteLine(x);
        if (x == 10)
            return;
        TailRecursion(x + 1);
    }
    TailRecursion(0);

使用尾遞歸堆棧可以不用保存上次的函數返回地址/各種狀態值，而方法遺留在堆棧上的數據完全可以釋放掉，這是尾遞歸優化的核心思想。

由於尾遞歸期間，堆棧是可以釋放/再利用的，也就解決遞歸過深而引起的溢出問題，這也是尾遞歸的優勢所在。

編譯器優化

尾遞歸優化，看起來是蠻美好的，但在net中卻有點亂糟糟的感覺。

• Net在C#語言中是JIT編譯成匯編時進行優化的。
• Net在IL上，有個特殊指令tail去實現尾遞歸優化的(F#中)。

我們執行 TailRecursion(0)(x==1000000) 得出如下結論：

C#/64位/Release是有JIT編譯器進行尾遞歸優化的(非C#編譯器優化)。

C#/32位或C#/Debug模式中JIT是不進行優化的。

F#在優化尾遞歸也分2種情況：

1、 簡單的尾遞歸優化成while循環，如下：

 let rec TailRecursion(x) =
  if (x = 1000) then true
  else TailRecursion(x + 1)

(方便演示C#呈現)編譯器優化成：

    public static bool TailRecursion(int x)
    {
        while (x != 0x3e8)
        {
            x++;
        }
        return true;
    }

2、 復雜的尾遞歸，F#編譯器會生成IL指令Tail進行優化，如下：

let TailRecursion2 a cont = cont (a + 1)  

優化成：

如何定義復雜的尾遞歸呢？通常是后繼傳遞模式(CPS)。

F#中在debug模式下，需要在編譯時配置：

總結

在C#語言(過程式/面向對象編程思想)中，優先考慮的是循環，而不是遞歸/尾遞歸。 但在函數式編程思想當中，遞歸/尾遞歸使用則是主流用法，就像在C#使用循環一樣。

參考資料

http://volgarev.me/blog/62412678347

http://stackoverflow.com/questions/15864670/generate-tail-call-opcode