递归爆栈问题与解决

文中栗子来源 http://es6.ruanyifeng.com/#docs/function#%E5%B0%BE%E9%80%92%E5%BD%92

来源

函数 caller 运行时,调用其他函数 called ,js引起会在调用栈中新开一个调用帧存储作用域和上下文信息,而caller的调用帧信息仍需要保存。而内存中调用栈存储信息有限,递归情况下,如果递归层次过深会导致调用栈耗光而引起stack overflow —— 爆栈。

注:文中例子执行环境均为 Chrome 72

比如这个Fibonacci数列的实现

function f(n){
    if(n===0||n===1){
    return n
  }else 
    return f(n-1)+f(n-2)
}

​f(100)时浏览器就会卡死(栈溢出)

另外,可以通过编写一个方法计算js函数调用栈的最深层级的大小

function computeMaxCallStackSize() {
    try {
      return 1 + computeMaxCallStackSize();
    } catch (e) {
      // Call stack overflow
      return 1;
    }
}
computeMaxCallStackSize()
// 12531

改为尾调优化的写法

思路: 使用两个临时变量来存储上一个值,和上上个值

function fTail(n, ac1=0, ac2=1){
    if(n===0){
    return ac1
  }else
      return fTail(n-1, ac2, ac1+ac2)
}

fTail(100)
// 354224848179262000000
fTail(1000)
// 4.346655768693743e+208
fTail(2000)
// Infinity

理论上,如果尾调优化有效,上述代码应该能一直计算(即使输出Infinity),但Chrome 72中实际测试表明大概计算到 fTail(7370) 时报错 Maxinum call stack size exceeded

尾调优化主要有两点问题,导致它的提案仍没有完全通过,浏览器的支持也不统一:

  • 在引擎层面进行尾调优化是一个隐式行为,如果代码存在死循环尾递归调用,可能因为优化后没有爆栈报错提示而无法被程序员察觉
  • 优化后,调用堆栈信息会丢失,造成调试困难

尾调优化的浏览器支持可以参考http://kangax.github.io/compat-table/es6/#test-proper_tail_calls_(tail_call_optimisation)

改用循环重写

所有递归都可以转化为循环编写

思路: 类似上一个例子,Fibonacci数列的实现使用循环还是比较简单

function fLoop(n, ac1 = 0, ac2 = 1) {  
  while (n--) {
    [ac1, ac2] = [ac2, ac1 + ac2]
  }
  return ac1
}
// 运行看看
fLoop(1000)
// 4.346655768693743e+208
fLoop(10000)
// Infinity
fLoop(100000)
// Infinity


可以看到改用循环重写后,则不会引起调用栈溢出的问题

Trampolining(蹦床函数)

将递归改成循环,代码可读性降低,比较难以理解,还有一种方式就是使用蹦床函数将递归改为循环

神马是蹦床函数呢?

function trampoline(f) {
  while (f && f instanceof Function) {
    f = f();
  }  
  return f;
}

trampoline 方法中,如果 f 是个函数就一直调用到返回不是函数为止,注意这种方式不是递归调用,而是循环,不会增加调用栈。

我们试着把上边的例子改写成使用 Trampolining

function trampoline(f) {
  while (f && f instanceof Function) {
    f = f();
  }  
  return f;
}

function fTrampoline (n, ac1=0, ac2=1){
    if(n===0){
    return ac1
  }else{
    return fTrampoline.bind(null, n-1, ac2, ac1+ac2)
  }
}

// 结合两个函数进行调用
trampoline(fTrampoline(10000))
// Infinity

这种方式写法上和尾递归类似,但比较好理解,只是要修改原递归函数,underscore库提供了蹦床函数用于将任意满足它写法的尾调递归转化为循环,避免爆栈问题:http://documentcloud.github.io/underscore-contrib/#trampoline

尾递归函数转循环

还有一种方式,可以将尾递归形式的递归函数转为为循环,并且不需要修改原尾递归函数,即 非侵入式

function tailCallOptimize(f) {  
  let value
  let active = false
  const accumulated = []
  return function accumulator() {
    accumulated.push(arguments)
    if (!active) {
      active = true
      while (accumulated.length) {
        value = f.apply(this, accumulated.shift())
      }
      active = false
      return value
    }
  }
}

const f = tailCallOptimize(function(n, ac1 = 0, ac2 = 1) {  
  if (n === 0) return ac1
  return f(n - 1, ac2, ac1 + ac2)
})

f(10000)
// Infinity


可以看到,这其实是利用 闭包 缓存标记变量和 栈 存放每次递归的调用参数,每次发生递归调用就将本次调用参数push到栈内,执行后再shift 推出,直到栈为空。

小结

不管是利用 Trampolining 还是 tailCallOptimize 将递归转化为循环,都需要先将递归函数改为尾递归实现,而并不是所有递归都可以转化为尾递归,线性递归是比较容易进行转化的,而树状递归就难了,甚至可能无法转化。

查询资料时就在思考,是否有一种方式可以尝试将递归转化为尾递归呢?然后找到了这篇:

基于CPS变换的尾调递归转化算法

https://www.cnblogs.com/cheukyin/p/6444860.html

由于本人算法渣渣,就不搬运文章内容了,有兴趣的可以点开进一步了解

在实际应用中,如果可以明确递归的层次不会太深的情况(比如线性递归不会超过1000层),仍可以使用原始递归写法,或者某些情况下通过约束参数而避免爆栈的情况;

如果递归层次比较深,则需要优化递归写法为尾调递归,并利用类似 Trampolining 的方式转化为循环调用。

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