Python递归函数
函数执行流程
要明白递归首先需要明白函数的执行流程。
比如下面的这段程序。
def foo1(b, b1=3): print("foo1 called", b, b1) def foo2(c): foo3(c) print("foo2 called", c) def foo3(d): print("foo3 called", d) def main(): print("main called") foo1(100, 101) foo2(200) print("main ending") main() 结果为： main called foo1 called 100 101 foo3 called 200 foo2 called 200 main ending
上面的代码执行流程为：
- 首先在全局帧中生成foo1、foo2、foo3、main函数对象。
- 然后main函数调用。
- main函数中查找内建函数print压栈，然后将常量字符串压栈，然后调用函数，弹出栈顶。
- main函数中全局查找函数foo1压栈，然后将常量100,101压栈，调用函数foo1，创建栈帧。然后字符串和变量b,b1压栈，调用函数，弹出栈顶，返回值。
- main函数中全局查找函数foo2函数压栈，然后将常量200压栈，调用foo2，创建栈帧。foo3函数压栈，变量c引用压栈，调用foo3，创建栈帧。foo3完成print函数调用后返回。foo2恢复调用，执行print后，返回值。main中foo2调用结束弹出栈顶，main继续执行print函数调用，弹出栈顶，main函数返回。
递归
所谓的递归也就是函数直接或者间接调用自身。需要注意的是递归一定要有边界条件（不然就就是死循环），递归前进段、递归返回段，当边界条件不满足的时候，递归前进，而当递归条件满足的时候，递归返回。
递归相比于循环，只是让解决方案更加清晰，并没有性能上的优势。在有些情况下，如果使用循环，程序的性能可能会更高，而如果使用递归的话，程序可能更容易理解。
比如要生成一个斐波拉契数列，1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, ... ߧ如果设f(n)为该数列的第n项，那么可以推导出这样的公式：f(n)=f(n-1)+f(n-2).
使用循环，生成斐波拉契数列，代码为：
pre = 0 cur = 1#第一个 print(pre,cur,end=" ") n = 4 for i in range(n-1): pre,cur = cur,pre+cur print(cur,end = " ") 结果为： 0 1 1 2 3 将它抽象出函数： def fib(n): pre = 0 cur = 1 print(cur,end=" ") for i in range(n-1): pre,cur = cur,pre+cur print(cur,end = " ") fib(10) 结果为： 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55
而如果使用递归的话，代码可以很简洁：
#第n项的数字为： def fib(n): if n<2: return 1 else: return fib(n-1)+fib(n-2) fib(10) 上面的代码可以简化为： def fib(n): return 1 if n<2 else fib(n-1)+fib(n-2) fib(10)
而生成数列的代码为：
def fib(n): return 1 if n <2 else fib(n-1) + fib(n-2) print(fib(10)) for i in range(11): print(fib(i), end=' ') 结果为： 89 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89
由上面的例子可以看到，递归一定要有退出条件，而递归调用一定会执行到这个退出条件，如果没有退出条件的递归调用，就是无限调用，会陷入无限循环，而且递归调用的深度不宜过深，Python对递归调用的深度做了限制（1000）以保护解释器，超过递归深度的限制，会抛出recursionerror错误，同时可以使用sys.getrecursionlimil()设置递归的深度。
递归的性能
循环稍微复杂一些，但是只要不是死循环，就可以多次迭代算出结果，递归函数的代码极简易懂，但是只能获取到最外层的函数调用，内部的递归结果都是中间结果，而且给定一个N都要进行近2N次递归，深度越深，效率就会越低，为了获取斐波拉契数列需要再在外面套一个n的循环，效率就更低了。如果递归复杂，函数会反复的压栈，这样栈的内存很快就会溢出。所以会有递归深度限制。如下面的代码：
import datetime start = datetime.datetime.now() pre = 0 cur = 1 # No1 print(pre, cur, end=' ') n = 35 for i in range(n-1): pre, cur = cur, pre + cur print(cur, end=' ') delta = (datetime.datetime.now() -start).total_seconds() print(delta) 结果为： 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987 1597 2584 4181 6765 10946 17711 28657 46368 75025 121393 196418 317811 514229 832040 1346269 2178309 3524578 5702887 9227465 0.001 import datetime n = 35 start = datetime.datetime.now() def fib(n): return 1 if n < 2 else fib(n-1) + fib(n-2) for i in range(n): print(fib(i), end=' ') delta = (datetime.datetime.now() - start).total_seconds() print(delta) 结果为： 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987 1597 2584 4181 6765 10946 17711 28657 46368 75025 121393 196418 317811 514229 832040 1346269 2178309 3524578 5702887 9227465 9.371536
上面的例子可以看到for循环，只需要0.01秒就可以很快算出35个斐波拉契数列，而递归的话则需要9秒多。效率特别低，这个时候有什么可以改进的吗？
pre = 0 cur = 1#第一个 print(pre,cur,end=" ") def fib(n,pre = 0,cur = 1): pre,cur = cur,pre+cur print(cur,end=" ") if n ==2: return fib(n-1,pre,cur) fib(10) 结果为： 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55
上面的这个递归函数就和循环的思想很类似了，参数n是边界条件，用n来计数，上一次的计算结果直接用作函数的实参，这样的话，效率更高，和循环相比较的话，性能更近。
所以递归并不一样都是效率低下，但是它有深度限制。
可以对比下三个斐波拉契数列生成函数的效率。如下：
import datetime # Fib Seq start = datetime.datetime.now() pre = 0 cur = 1 # No1 print(pre, cur, end=' ') n = 35 # loop for i in range(n-1): pre, cur = cur, pre + cur print(cur, end=' ') delta = (datetime.datetime.now() - start).total_seconds() print(delta) # Fib Seq start = datetime.datetime.now() pre = 0 cur = 1 # No1 print(pre, cur, end=' ') # recursion def fib1(n, pre=0,cur=1): pre, cur = cur, pre + cur print(cur, end=' ') if n == 2: return fib1(n-1, pre, cur) fib1(35) delta = (datetime.datetime.now() - start).total_seconds() print(delta) start = datetime.datetime.now() def fib2(n): if n < 2: return 1 return fib2(n-1) + fib2(n-2) for i in range(n): print(fib2(i), end=' ') delta = (datetime.datetime.now() - start).total_seconds() print(delta)
前面两个性能相当，而第三个效率特特别低下。写递归应该尽量避免写成第三个这样的。
间接递归
所谓的间接递归，就是通过别的函数间接调用了函数自身，但是，如果构成了循环递归调用就是件非常危险的事情，而且这种情况在代码复杂的情况下， 很还可能发生。所以一定要规范代码，来避免发生这种调用的发生。比如下面这个例子。
def foo1(): foo2() def foo2(): foo1() foo1()
上面的代码就会陷入死循环。应该尽量的避免。
递归总结：
- 递归是一种很自然的表达，符合逻辑思维。
- 递归相对来讲运行效率低，每一次调用函数都要开辟栈帧。
- 递归有深度限制，如果递归的层次太深，函数反复的压栈，栈内存很快就会溢出。
- 如果是有限次的递归，可以使用递归调用，或者使用循环代码，循环代码稍微复杂一些，但是只要不是死循环，可以多次迭代直至算出结果。
- 绝大多数递归，都可以使用循环来实现。
- 即便递归代码简洁，但是能不用则不用递归。
练习题：
- 求n的阶乘！
- 将一个数逆序放入列表中，比如1234--[4,3,2,1]
- 解决猴子吃桃问题：猴子第一天摘下若干个桃子，马上吃了一半，还不过瘾，又多吃了一个，第二天早上又将剩下的桃子吃掉了一半，又多吃了一个。以后每天早上都吃了前一天剩下的一半零一个。到第10天早上想吃的时候，只剩下一个桃子，求第一天共摘了多少个桃子。
#求阶乘 def fac(n):#性能最好 if n==1: return 1 else: return n*fac(n-1) fac(10) 结果为： 3628800 def fac1(n,p=1): if n==1: return p p*= n print(p) fac1(n-1,p) return p fac1(10) 结果为： 10 90 720 5040 30240 151200 604800 1814400 3628800 10 def fac2(n,p=None): if p is None: p = [1] if n == 1: return p[0] p[0]*=n #print(p[0]) fac2(n-1,p) return p[0] fac2(10) 结果为： 3628800 def fac3(n,p=1): p*=n if n==1: return p else: return fac4(n-1,p) fac3(10) 结果为： 3628800
2.将一个数逆序放入列表中
data = str(1234) def revert(x): if x==-1: return " " return data[x]+revert(x-1) print(revert(len(data)-1)) 结果为： 4321 def revert1(n,lst = None): if lst is None: lst = [] lst.append(n%10) if n//10 ==0: return lst return revert1(n//10,lst) revert1(12345) 结果为： [5, 4, 3, 2, 1] def revert2(n,lst = None): if lst is None: lst = [] x,y=divmod(n,10) lst.append(y) if x==0: return lst return revert2(x,lst) revert2(12345) 结果为： [5, 4, 3, 2, 1] num = 12354 def revert3(num,target=[]): if num: target.append(num[len(num)-1])#target.append(num[-1:]) revert3(num[:len(num)-1]) return target print(revert3(str(num))) 结果为： ['4', '5', '3', '2', '1']
猴子吃桃问题：
def peach(day= 9,sum = 1): sum=2*(sum+1) day-=1 if day ==0: return sum return peach(day,sum) print(peach()) 结果为： 1534 def monkey(n): if n==1: return 1 return 2*monkey(n-1)+2 monkey(10) 结果为： 1534
这个猴子吃桃的问题，可以假设猴子摘了x个桃子
d1: x//2-1
d2:d1//2-1
d3:d2//2-1
……
d9:d8//2-1
d10:1
那么：
def peach(day = 10):if day==1: return 1 return (peach(day-1)+1)*2 print(peach()) 结果为： 1534
应该注意的是，这里必须是10，因为return (peach(day-1)+1)*2立即拿不到结果，必须通过再一次进入函数时判断是不是到了最后一天。也就是当前使用的值是由下一次函数调用得到的，所以要执行10次函数调用。换一种方式表达：
def peach(days = 1): if days==10: return 1 return (peach(days+1)+1)*2 print(peach()) 结果为： 1534
