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探索c#之尾递归编译器优化

 weijianian 2016-08-07


作者:蘑菇先生

网址:http://www.cnblogs.com/mushroom/p/4311952.html


递归运用


一个函数直接或间接的调用自身,这个函数即可叫做递归函数。


  • 递归主要功能是把问题转换成较小规模的子问题,以子问题的解去逐渐逼近最终结果。

  • 递归最重要的是边界条件,这个边界是整个递归的终止条件。


static int RecFact(int x)

{

if (x == 0)

return 1;

return x * RecFact(x - 1);

}

RecFact(10);


上面是个经典阶乘函数的实现。这里分2步:


  • 转换,把10的阶乘转化成10*9!,10(9*8!)....每次转换规模就变的更小。

  • 逼近,转换到最小规模时0!,求解1。开始逆向合并逐渐逼近到10,得出解。


这里的x==0就是我们的边界条件(即终止条件),也有的依赖外部变量为边界。


如果一个递归函数没有边界,也就无法停止(无限循环至内存溢出),当然这样也没什么意义。


RecFact调用堆栈:




常见使用场景:


  • 阶乘/斐波那契数列/汉诺塔

  • 遍历硬盘文件

  • InnerExceptions异常扑捉(exception.InnerException==null)


尾递归优化


当边界不明确的时候,递归就很容易出现溢出问题。


在阶乘过程中,堆栈需要保存每次(RecFact)调用的返回地址及当时所有的局部变量状态,期间堆栈空间是无法释放的(即容易出现溢出)。


为了优化堆栈占用问题,从而提出尾递归优化的办法。


static void TailRecursion(int x)

{

Console.WriteLine(x);

if (x == 10)

return;

TailRecursion(x + 1);

}

TailRecursion(0);


使用尾递归堆栈可以不用保存上次的函数返回地址/各种状态值,而方法遗留在堆栈上的数据完全可以释放掉,这是尾递归优化的核心思想。


由于尾递归期间,堆栈是可以释放/再利用的,也就解决递归过深而引起的溢出问题,这也是尾递归的优势所在。


编译器优化


尾递归优化,看起来是蛮美好的,但在net中却有点乱糟糟的感觉。


  • Net在C#语言中是JIT编译成汇编时进行优化的。

  • Net在IL上,有个特殊指令tail去实现尾递归优化的(F#中)。


我们执行 TailRecursion(0)(x==1000000) 得出如下结论:


C#/64位/Release是有JIT编译器进行尾递归优化的(非C#编译器优化)。




C#/32位或C#/Debug模式中JIT是不进行优化的。




F#在优化尾递归也分2种情况:


1、 简单的尾递归优化成while循环,如下:


let rec TailRecursion(x) =

if (x = 1000) then true

else TailRecursion(x + 1)


(方便演示C#呈现)编译器优化成:


public static bool TailRecursion(int x)

{

while (x != 0x3e8)

{

x++;

}

return true;

}


2、 复杂的尾递归,F#编译器会生成IL指令Tail进行优化,如下:


let TailRecursion2 a cont = cont (a + 1)


优化成:




如何定义复杂的尾递归呢?通常是后继传递模式(CPS)。


F#中在debug模式下,需要在编译时配置:




总结


在C#语言(过程式/面向对象编程思想)中,优先考虑的是循环,而不是递归/尾递归。 但在函数式编程思想当中,递归/尾递归使用则是主流用法,就像在C#使用循环一样。


参考资料


http:///blog/62412678347


http:///questions/15864670/generate-tail-call-opcode



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