python中對遞歸函數的理解


 

在函數內部,可以調用其他函數。如果一個函數在內部調用自身本身,這個函數就是遞歸函數。

舉個例子,我們來計算階乘n! = 1 * 2 * 3 * ... * n,用函數fact(n)表示,可以看出:

fact(n) = n! = 1 x 2 x 3 x ... x (n-1) x n = (n-1)! x n = fact(n-1) x n

所以,fact(n)可以表示為n * fact(n-1),只有n=1時需要特殊處理。

於是,fact(n)用遞歸的方式寫出來就是:

def fact(n):
    if n == 1:
        return 1
    return n * fact(n - 1)

print(fact(5))

遞歸函數的優點是定義簡單,邏輯清晰。理論上,所有的遞歸函數都可以寫成循環的方式,但循環的邏輯不如遞歸清晰。

使用遞歸函數需要注意防止棧溢出。在計算機中,函數調用是通過棧(stack)這種數據結構實現的,每當進入一個函數調用,棧就

會加一層棧幀,每當函數返回,棧就會減一層棧幀。由於棧的大小不是無限的,所以,遞歸調用的次數過多,會導致棧溢出。可以

試試fact(1000)

它會報該錯誤:RecursionError: maximum recursion depth exceeded in comparison

解決遞歸調用棧溢出的方法是通過尾遞歸優化,事實上尾遞歸和循環的效果是一樣的,所以,把循環看成是一種特殊的尾遞歸函數也是可以的。

尾遞歸是指,在函數返回的時候,調用自身本身,並且,return語句不能包含表達式。這樣,編譯器或者解釋器就可以把尾遞歸做優化,使遞歸本身無論調用多少次,都只占用一個棧幀,不會出現棧溢出的情況。

注意:不是所有語言都有尾遞歸優化的(Java就沒有)

def f(n):
    return fact_iter(n, 1)    # 返回的是另一個遞歸調用函數的結果

def fact_iter(num, product):    # num是想要計算的值,product是結果
    if num == 1:
        return product
    return fact_iter(num - 1, num * product)    # 將乘積結果傳入函數

可以看到尾遞歸的函數比原始的版本多了1個參數,一個起到收集器(accumulator)的作用,記錄每上一次棧的返回值,因為原來棧的空間會被下一層遞歸覆蓋。

尾遞歸調用時,如果做了優化,棧不會增長,因此,無論多少次調用也不會導致棧溢出。

遺憾的是,大多數編程語言沒有針對尾遞歸做優化,Python解釋器也沒有做優化,所以,即使把上面的fact(n)函數改成尾遞歸方式,也會導致棧溢出。

小結

使用遞歸函數的優點是邏輯簡單清晰,缺點是過深的調用會導致棧溢出。

針對尾遞歸優化的語言可以通過尾遞歸防止棧溢出。尾遞歸事實上和循環是等價的,沒有循環語句的編程語言只能通過尾遞歸實現循環。

Python標准的解釋器沒有針對尾遞歸做優化,任何遞歸函數都存在棧溢出的問題。


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