递归
递归
本质上，将原来的问题，转化为更小的同一个问题
生活中递归的例子
周末你带着女朋友去电影院看电影，女朋友问你，咱们现在坐在第几排啊？电影院里面太黑了，看不清，没法数，现在你怎么办？
别忘了你是程序员，这个可难不倒你，递归就开始排上用场了。于是你就问前面一排的人他是第几排，你想只要在他的数字上加一，就知道自己在哪一排了。但是，前面的人也看不清啊，所以他也问他前面的人。就这样一排一排往前问，直到问到第一排的人，说我在第一排，然后再这样一排一排再把数字传回来。直到你前面的人告诉你他在哪一排，于是你就知道答案了。
这就是一个非常标准的递归求解问题的分解过程，去的过程叫“递”，回来的过程叫“归”。基本上，所有的递归问题都可以用递推公式来表示。刚刚这个生活中的例子，我们用递推公式将它表示出来就是这样的：
f(n)=f(n-1)+1
其中，f(1)=1
f(n) 表示你想知道自己在哪一排，f(n-1) 表示前面一排所在的排数，f(1)=1 表示第一排的人知道自己在第一排。有了这个递推公式，我们就可以很轻松地将它改为递归代码，如下：
int f(int n) {
if (n == 1) return 1;
return f(n-1) + 1;
}
递归需要满足的三个条件
刚刚这个例子是非常典型的递归，那究竟什么样的问题可以用递归来解决呢？我总结了三个条件，只要同时满足以下三个条件，就可以用递归来解决。
- 一个问题的解可以分解为几个子问题的解
何为子问题？子问题就是数据规模更小的问题。比如，前面讲的电影院的例子，你要知道，“自己在哪一排”的问题，可以分解为“前一排的人在哪一排”这样一个子问题。
- 这个问题与分解之后的子问题，除了数据规模不同，求解思路完全一样
比如电影院那个例子，你求解“自己在哪一排”的思路，和前面一排人求解“自己在哪一排”的思路，是一模一样的。
- 存在递归终止条件
把问题分解为子问题，把子问题再分解为子子问题，一层一层分解下去，不能存在无限循环，这就需要有终止条件。
还是电影院的例子，第一排的人不需要再继续询问任何人，就知道自己在哪一排，也就是 f(1)=1，这就是递归的终止条件。
如何编写递归代码？
写递归代码最关键的是写出递推公式，找到终止条件，剩下将递推公式转化为代码就很简单了。
你先记住这个理论。我举一个例子，带你一步一步实现一个递归代码，帮你理解。
假如这里有 n 个台阶，每次你可以跨 1 个台阶或者 2 个台阶，请问走这 n 个台阶有多少种走法？如果有 7 个台阶，你可以 2，2，2，1 这样子上去，也可以 1，2，1，1，2 这样子上去，总之走法有很多，那如何用编程求得总共有多少种走法呢？
我们仔细想下，实际上，可以根据第一步的走法把所有走法分为两类，第一类是第一步走了 1 个台阶，另一类是第一步走了 2 个台阶。所以 n 个台阶的走法就等于先走 1 阶后，n-1 个台阶的走法 加上先走 2 阶后，n-2 个台阶的走法。用公式表示就是：
f(n) = f(n-1)+f(n-2)
有了递推公式，递归代码基本上就完成了一半。我们再来看下终止条件。当有一个台阶时，我们不需要再继续递归，就只有一种走法。所以 f(1)=1。这个递归终止条件足够吗？我们可以用 n=2，n=3 这样比较小的数试验一下。
n=2 时，f(2)=f(1)+f(0)。如果递归终止条件只有一个 f(1)=1，那 f(2) 就无法求解了。所以除了 f(1)=1 这一个递归终止条件外，还要有 f(0)=1，表示走 0 个台阶有一种走法，不过这样子看起来就不符合正常的逻辑思维了。所以，我们可以把 f(2)=2 作为一种终止条件，表示走 2 个台阶，有两种走法，一步走完或者分两步来走。
所以，递归终止条件就是 f(1)=1，f(2)=2。这个时候，你可以再拿 n=3，n=4 来验证一下，这个终止条件是否足够并且正确。
我们把递归终止条件和刚刚得到的递推公式放到一起就是这样的：
f(1) = 1;
f(2) = 2;
f(n) = f(n-1)+f(n-2)
有了这个公式，我们转化成递归代码就简单多了。最终的递归代码是这样的：
int f(int n) {
if (n == 1) return 1;
if (n == 2) return 2;
return f(n-1) + f(n-2);
}
我总结一下，写递归代码的关键就是找到如何将大问题分解为小问题的规律，并且基于此写出递推公式，然后再推敲终止条件，最后将递推公式和终止条件翻译成代码。
如果一个问题 A 可以分解为若干子问题 B、C、D，你可以假设子问题 B、C、D 已经解决，在此基础上思考如何解决问题 A。而且，你只需要思考问题 A 与子问题 B、C、D 两层之间的关系即可，不需要一层一层往下思考子问题与子子问题，子子问题与子子子问题之间的关系。屏蔽掉递归细节，这样子理解起来就简单多了。
因此，编写递归代码的关键是，只要遇到递归，我们就把它抽象成一个递推公式，不用想一层层的调用关系，不要试图用人脑去分解递归的每个步骤。
递归代码要警惕堆栈溢出
在实际的软件开发中，编写递归代码时，我们会遇到很多问题，比如堆栈溢出。而堆栈溢出会造成系统性崩溃，后果会非常严重。为什么递归代码容易造成堆栈溢出呢？我们又该如何预防堆栈溢出呢？
我在“栈”那一节讲过，函数调用会使用栈来保存临时变量。每调用一个函数，都会将临时变量封装为栈帧压入内存栈，等函数执行完成返回时，才出栈。系统栈或者虚拟机栈空间一般都不大。如果递归求解的数据规模很大，调用层次很深，一直压入栈，就会有堆栈溢出的风险。
比如前面的讲到的电影院的例子，如果我们将系统栈或者 JVM 堆栈大小设置为 1KB，在求解 f(19999) 时便会出现如下堆栈报错：
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
那么，如何避免出现堆栈溢出呢？
我们可以通过在代码中限制递归调用的最大深度的方式来解决这个问题。递归调用超过一定深度（比如 1000）之后，我们就不继续往下再递归了，直接返回报错。还是电影院那个例子，我们可以改造成下面这样子，就可以避免堆栈溢出了。不过，我写的代码是伪代码，为了代码简洁，有些边界条件没有考虑，比如 x<=0。
// 全局变量，表示递归的深度。
int depth = 0;
int f(int n) {
++depth；
if (depth > 1000) throw exception;
if (n == 1) return 1;
return f(n-1) + 1;
}
但这种做法并不能完全解决问题，因为最大允许的递归深度跟当前线程剩余的栈空间大小有关，事先无法计算。如果实时计算，代码过于复杂，就会影响代码的可读性。所以，如果最大深度比较小，比如 10、50，就可以用这种方法，否则这种方法并不是很实用。
递归代码要警惕重复计算
除此之外，使用递归时还会出现重复计算的问题。刚才我讲的第二个递归代码的例子，如果我们把刚才我讲的第二个递归代码的例子，如果我们把整个递归过程分解一下的话，那就是这样的：
从图中，我们可以直观地看到，想要计算 f(5)，需要先计算 f(4) 和 f(3)，而计算 f(4) 还需要计算 f(3)，因此，f(3) 就被计算了很多次，这就是重复计算问题。
为了避免重复计算，我们可以通过一个数据结构（比如散列表）来保存已经求解过的 f(k)。当递归调用到 f(k) 时，先看下是否已经求解过了。如果是，则直接从散列表中取值返回，不需要重复计算，这样就能避免刚讲的问题了。
按照上面的思路，我们来改造一下刚才的代码：
public int f(int n) {
if (n == 1) return 1;
if (n == 2) return 2;
// hasSolvedList 可以理解成一个 Map，key 是 n，value 是 f(n)
if (hasSolvedList.containsKey(n)) {
return hasSovledList.get(n);
}
int ret = f(n-1) + f(n-2);
hasSovledList.put(n, ret);
return ret;
}
除了堆栈溢出、重复计算这两个常见的问题。递归代码还有很多别的问题。
在时间效率上，递归代码里多了很多函数调用，当这些函数调用的数量较大时，就会积聚成一个可观的时间成本。在空间复杂度上，因为递归调用一次就会在内存栈中保存一次现场数据，所以在分析递归代码空间复杂度时，需要额外考虑这部分的开销，比如我们前面讲到的电影院递归代码，空间复杂度并不是 O(1)，而是 O(n)。
怎么将递归代码改写为非递归代码？
我们刚说了，递归有利有弊，利是递归代码的表达力很强，写起来非常简洁；而弊就是空间复杂度高、有堆栈溢出的风险、存在重复计算、过多的函数调用会耗时较多等问题。所以，在开发过程中，我们要根据实际情况来选择是否需要用递归的方式来实现。
那我们是否可以把递归代码改写为非递归代码呢？比如刚才那个电影院的例子，我们抛开场景，只看 f(x) =f(x-1)+1 这个递推公式。我们这样改写看看：
int f(int n) {
int ret = 1;
for (int i = 2; i <= n; ++i) {
ret = ret + 1;
}
return ret;
}
同样，第二个例子也可以改为非递归的实现方式。
int f(int n) {
if (n == 1) return 1;
if (n == 2) return 2;
int ret = 0;
int pre = 2;
int prepre = 1;
for (int i = 3; i <= n; ++i) {
ret = pre + prepre;
prepre = pre;
pre = ret;
}
return ret;
}
那是不是所有的递归代码都可以改为这种迭代循环的非递归写法呢？
笼统地讲，是的。因为递归本身就是借助栈来实现的，只不过我们使用的栈是系统或者虚拟机本身提供的，我们没有感知罢了。如果我们自己在内存堆上实现栈，手动模拟入栈、出栈过程，这样任何递归代码都可以改写成看上去不是递归代码的样子。
但是这种思路实际上是将递归改为了“手动”递归，本质并没有变，而且也并没有解决前面讲到的某些问题，徒增了实现的复杂度。
例子
// 求1-100的和
// fn(n) = fn(n-1) + n
function sum(n) {
if (n === 1) {
return 1;
}
return sum(n - 1) + n;
}
console.log(sum(100));
/**
* LeeCode 256
* @param {number} num
* @return {number}
*/
// var addDigits1 = function(num) {
// if (num < 9 && num > 0) {
// return num
// }
// const total = Array.from(`${num}`, (value) => Number(value)).reduce((acc, item) => {
// return acc + item;
// },)
// return addDigits(total);
// }
var addDigits = function name(num) {
var total = 0;
while (num) {
total += num % 10;
num = Math.floor(num / 10);
}
if (total.toString().length > 1) {
return total && addDigits(total)
}
return total;
};
console.log(addDigits(38));
翻转链表
/**
* Definition for singly-linked list.
* function ListNode(val) {
* this.val = val;
* this.next = null;
* }
*/
/**
* @param {ListNode} head
* @return {ListNode}
*/
var reverseList = function(head) {
var prev = null;
var cur = head;
var temp = null;
while (cur !== null) {
temp = cur.next;
cur.next = prev;
prev = cur;
cur = temp;
}
return prev;
}
// 链表的递归实现
var reverseList = function(H) {
if (H === null || H.next === null)
//链表为空直接返回，而H->next为空是递归基
return H
var newHead = reverseList(H.next) //一直循环到链尾
H.next.next = H //翻转链表的指向
H.next = null //记得赋值NULL，防止链表错乱
return newHead //新链表头永远指向的是原链表的链尾
}
斐波那契数列
0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, ...
在数学上，斐波那契数列是以递归的方式定义：
f(0) = 0
f(1) = 1
f(n) = f(n - 1) + f(n - 2) // n >= 2
fabonacci的定义，我们可以很轻松的编写出实现代码：
function fibonacci(n) {
if (n === 0) {
return 0;
}
if (n === 1) {
return 1;
}
return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}
怎么解决重复计算的问题？
既然是计算过的数字值被重复计算，那么我们可以使用缓存的方式，把计算过的结果保存起来，更大的数字计算直接从缓存中取，不就可以省去计算过程了吗？
可以设定一个缓存对象:
var cache = {};
用来保存我们已经计算过的值，cache的使用过程将会是这样的：
假设我们已经计算过了0～9的结果
cache = {
0: 0,
1: 1,
2: 1,
3: 2,
4: 3,
5: 5,
6: 8,
7: 13,
8: 21,
9: 34
};
当我们要计算fibonacci(5)的时候，我们就能够1次从缓存中取出结果：
return cache[5];
性能高效的fabonacci程序
var cache = {
0: 0,
1: 1
};
function fibonacci(n) {
if (typeof cache[n] === 'number') {
return cache[n];
}
var result = cache[n] = fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
return result;
}
函数化
function fibonacci() {
var cache = [0, 1];
return function __fibonacci(n) {
return typeof cache[n] === 'number'
? cache[n]
: cache[n] = __fibonacci(n - 1) + __fibonacci(n - 2);
};
}
面向对象的风格
function Fibonaccii() {
if (!(this instanceof Fibonacci)) {
return new Fabonacci();
}
this._cache = [0, 1];
}
Fibonacci.prototype.compute = function (n) {
return typeof this._cache[n] === 'number'
? this._cache[n]
: this._cache[n] = this.compute(n - 1) + this.compute(n - 2);
};
Fabonacci().compute(50);
for循环版本
function fibonacci(n) {
var curvalue = 1
var prevalue = 0
var nextvalue = curvalue;
for (var i = 1; i <= n; i++) {
prevalue = curvalue;
curvalue = nextvalue
nextvalue = curvalue + prevalue
}
return nextvalue
}
去除重复计算的递归版本
function fib(n){
function fib_(n,a,b){
if(n==0) return a
else return fib_(n-1,b,a+b)
}
return fib_(n,0,1)
}
使用记忆函数优化正常递归版本
function memozi(fn){
var r = {}
return function(n){
if(r[n] == null){
r[n] = fn(n)
return r[n]
}else{
return r[n]
}
}
}
var fibfn = memozi(function(n){
if(n==0){
return 0
}else if(n==1){
return 1
}else{
return fibfn(n-1) + fibfn(n-2)
}
})
纯箭头函数版本
let fib = n => n > 1 ? fib(n-1) + fib(n-2) : n
写出一个fib数列
const fibonacci = n =>
Array.from({ length: n }).reduce(
(acc, val, i) => acc.concat(i > 1 ? acc[i - 1] + acc[i - 2] : i),
[]
);
尾调用优化
尾调用（Tail Call）是函数式编程的一个重要概念，本身非常简单，一句话就能说清楚，就是指某个函数的最后一步是调用另一个函数
尾调用之所以与其他调用不同，就在于它的特殊的调用位置。
我们知道，函数调用会在内存形成一个“调用记录”，又称“调用帧”（call frame），保存调用位置和内部变量等信息。如果在函数A的内部调用函数B，那么在A的调用帧上方，还会形成一个B的调用帧。等到B运行结束，将结果返回到A，B的调用帧才会消失。如果函数B内部还调用函数C，那就还有一个C的调用帧，以此类推。所有的调用帧，就形成一个“调用栈”（call stack）。
尾调用由于是函数的最后一步操作，所以不需要保留外层函数的调用帧，因为调用位置、内部变量等信息都不会再用到了，只要直接用内层函数的调用帧，取代外层函数的调用帧就可以了。
function f() {
let m = 1;
let n = 2;
return g(m + n);
}
f();
// 等同于
function f() {
return g(3);
}
f();
// 等同于
g(3);
上面代码中，如果函数g不是尾调用，函数f就需要保存内部变量m和n的值、g的调用位置等信息。但由于调用g之后，函数f就结束了，所以执行到最后一步，完全可以删除f(x)的调用帧，只保留g(3)的调用帧。
这就叫做“尾调用优化”（Tail call optimization），即只保留内层函数的调用帧。如果所有函数都是尾调用，那么完全可以做到每次执行时，调用帧只有一项，这将大大节省内存。这就是“尾调用优化”的意义。
注意，只有不再用到外层函数的内部变量，内层函数的调用帧才会取代外层函数的调用帧，否则就无法进行“尾调用优化”。
function addOne(a){
var one = 1;
function inner(b){
return b + one;
}
return inner(a);
}
上面的函数不会进行尾调用优化，因为内层函数inner用到了外层函数addOne的内部变量one。
尾递归
函数调用自身，称为递归。如果尾调用自身，就称为尾递归。
递归非常耗费内存，因为需要同时保存成千上百个调用帧，很容易发生“栈溢出”错误（stack overflow）。但对于尾递归来说，由于只存在一个调用帧，所以永远不会发生“栈溢出”错误。
function factorial(n) {
if (n === 1) return 1;
return n * factorial(n - 1);
}
factorial(5) // 120
上面代码是一个阶乘函数，计算n的阶乘，最多需要保存n个调用记录，复杂度 O(n) 。
如果改写成尾递归，只保留一个调用记录，复杂度 O(1) 。
function factorial(n, total) {
if (n === 1) return total;
return factorial(n - 1, n * total);
}
factorial(5, 1) // 120
还有一个比较著名的例子，就是计算 Fibonacci 数列，也能充分说明尾递归优化的重要性。
非尾递归的 Fibonacci 数列实现如下。
function Fibonacci (n) {
if ( n <= 1 ) {return 1};
return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}
Fibonacci(10) // 89
Fibonacci(100) // 堆栈溢出
Fibonacci(500) // 堆栈溢出
尾递归优化过的 Fibonacci 数列实现如下。
function Fibonacci2 (n , ac1 = 1 , ac2 = 1) {
if( n <= 1 ) {return ac2};
return Fibonacci2 (n - 1, ac2, ac1 + ac2);
}
Fibonacci2(100) // 573147844013817200000
Fibonacci2(1000) // 7.0330367711422765e+208
Fibonacci2(10000) // Infinity
由此可见，“尾调用优化”对递归操作意义重大，所以一些函数式编程语言将其写入了语言规格。ES6 是如此，第一次明确规定，所有 ECMAScript 的实现，都必须部署“尾调用优化”。这就是说，ES6 中只要使用尾递归，就不会发生栈溢出，相对节省内存。
