尾调用、优化和 ES6

2018-06-14

4分钟阅读时长

在探秘“栈”的倒数第二篇文章中，我们提到了尾调用 tail call 、编译优化、以及新发布的 JavaScript 上合理尾调用 proper tail call 。

当一个函数 F 调用另一个函数作为它的结束动作时，就发生了一个尾调用。在那个时间点，函数 F 绝对不会有多余的工作：函数 F 将“球”传给被它调用的任意函数之后，它自己就“消失”了。这就是关键点，因为它打开了尾调用优化的“可能之门”：我们可以简单地重用函数 F 的栈帧，而不是为函数调用创建一个新的栈帧，因此节省了栈空间并且避免了新建一个栈帧所需要的工作量。下面是一个用 C 写的简单示例，然后使用 mild 优化来编译它的结果：

int add5(int a)
{
    return a + 5;
}

int add10(int a)
{
    int b = add5(a); // not tail
    return add5(b); // tail
}

int add5AndTriple(int a){
    int b = add5(a); // not tail
    return 3 * add5(a); // not tail, doing work after the call
}

int finicky(int a){
    if (a > 10){
        return add5AndTriple(a); // tail
    }

    if (a > 5){
        int b = add5(a); // not tail
        return finicky(b); // tail
    }

    return add10(a); // tail
}

简单的尾调用下载

在编译器的输出中，在预期会有一个调用的地方，你可以看到一个跳转指令，一般情况下你可以发现尾调用优化（以下简称 TCO）。在运行时中，TCO 将会引起调用栈的减少。

一个通常认为的错误观念是，尾调用必须要递归。实际上并不是这样的：一个尾调用可以被递归，比如在上面的 finicky() 中，但是，并不是必须要使用递归的。在调用点只要函数 F 完成它的调用，我们将得到一个单独的尾调用。是否能够进行优化这是一个另外的问题，它取决于你的编程环境。

“是的，它总是可以！”，这是我们所希望的最佳答案，它是著名的 Scheme 中的方式，就像是在 SICP上所讨论的那样（顺便说一声，如果你的程序不像“一个魔法师使用你的咒语召唤你的电脑精灵”那般有效，建议你读一下这本书）。它也是 Lua 的方式。而更重要的是，它是下一个版本的 JavaScript —— ES6 的方式，这个规范清晰地定义了尾的位置，并且明确了优化所需要的几个条件，比如，严格模式。当一个编程语言保证可用 TCO 时，它将支持合理尾调用 proper tail call 。

现在，我们中的一些人不能抛开那些 C 的习惯，心脏出血，等等，而答案是一个更复杂的“有时候”，它将我们带进了编译优化的领域。我们看一下上面的那个简单示例；把我们上篇文章的阶乘程序重新拿出来：

#include  <stdio.h>

int factorial(int n)
{
    int previous = 0xdeadbeef;

    if (n == 0 || n == 1) {
        return 1;
    }

    previous = factorial(n-1);
    return n * previous;
}

int main(int argc)
{
    int answer = factorial(5);
    printf("%d\n", answer);
}

递归阶乘下载

像第 11 行那样的，是尾调用吗？答案是：“不是”，因为它被后面的 n 相乘了。但是，如果你不去优化它，GCC 使用 O2 优化的结果会让你震惊：它不仅将阶乘转换为一个无递归循环，而且 factorial(5) 调用被整个消除了，而以一个 120 (5! == 120) 的编译时常数来替换。这就是调试优化代码有时会很难的原因。好的方面是，如果你调用这个函数，它将使用一个单个的栈帧，而不会去考虑 n 的初始值。编译算法是非常有趣的，如果你对它感兴趣，我建议你去阅读构建一个优化编译器和 ACDI。

但是，这里没有做尾调用优化时到底发生了什么？通过分析函数的功能和无需优化的递归发现，GCC 比我们更聪明，因为一开始就没有使用尾调用。由于过于简单以及很确定的操作，这个任务变得很简单。我们给它增加一些可以引起混乱的东西（比如，getpid()），我们给 GCC 增加难度：

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int pidFactorial(int n)
{
    if (1 == n) {
        return getpid(); // tail
    }

    return n * pidFactorial(n-1) * getpid(); // not tail
}

int main(int argc)
{
    int answer = pidFactorial(5);
    printf("%d\n", answer);
}

递归 PID 阶乘下载

优化它，unix 精灵！现在，我们有了一个常规的递归调用并且这个函数分配 O(n) 栈帧来完成工作。GCC 在递归的基础上仍然为 getpid 使用了 TCO。如果我们现在希望让这个函数尾调用递归，我需要稍微变一下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int tailPidFactorial(int n, int acc)
{
    if (1 == n) {
        return acc * getpid(); // not tail
    }

    acc = (acc * getpid() * n);
    return tailPidFactorial(n-1, acc); // tail
}

int main(int argc)
{
    int answer = tailPidFactorial(5, 1);
    printf("%d\n", answer);
}

tailPidFactorial.c 下载

现在，结果的累加是一个循环，并且我们获得了真实的 TCO。但是，在你庆祝之前，我们能说一下关于在 C 中的一般情形吗？不幸的是，虽然优秀的 C 编译器在大多数情况下都可以实现 TCO，但是，在一些情况下它们仍然做不到。例如，正如我们在函数序言中所看到的那样，函数调用者在使用一个标准的 C 调用规则调用一个函数之后，它要负责去清理栈。因此，如果函数 F 带了两个参数，它只能使 TCO 调用的函数使用两个或者更少的参数。这是 TCO 的众多限制之一。Mark Probst 写了一篇非常好的论文，他们讨论了在 C 中的合理尾递归，在这篇论文中他们讨论了这些属于 C 栈行为的问题。他也演示一些疯狂的、很酷的欺骗方法。

“有时候” 对于任何一种关系来说都是不坚定的，因此，在 C 中你不能依赖 TCO。它是一个在某些地方可以或者某些地方不可以的离散型优化，而不是像合理尾调用一样的编程语言的特性，虽然在实践中可以使用编译器来优化绝大部分的情形。但是，如果你想必须要实现 TCO，比如将 Scheme 转译 transpilation 成 C，你将会很痛苦。

因为 JavaScript 现在是非常流行的转译对象，合理尾调用比以往更重要。因此，对 ES6 及其提供的许多其它的重大改进的赞誉并不为过。它就像 JS 程序员的圣诞节一样。

这就是尾调用和编译优化的简短结论。感谢你的阅读，下次再见！

via:https://manybutfinite.com/post/tail-calls-optimization-es6/

作者：Gustavo Duarte 译者：qhwdw 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国荣誉推出

尾调用、优化和 ES6

相关