漫谈递归：从汇编看尾递归的优化

作者：握住每一缕光 | 来源：互联网 | 2014-05-16 11:47

对于尾递归，很多人的理解仅局限于它是递归和尾调用的一个合体，比普通递归效率高。至于效率为什么高，高在哪，可能没有深究过。在执行函数B时，函数A的栈帧其实是已经大部分没用了，可以被修改或覆盖。编译器可以利用这一点进行优化，函数B执行后直接返回到函数A的调用者。

对于尾递归，很多人的理解仅局限于它是递归和尾调用的一个合体，比普通递归效率高。至于效率为什么高，高在哪，可能没有深究过。?

尾调用

要说尾递归，得先说尾调用。我理解的尾调用大概是这么一种情况：

函数A里面调用了函数B。
函数B执行后，函数A马上返回。
也就是说调用函数B（并返回执行结果）是函数A所做的最后一件事。
相当于执行完函数B后，函数A也就执行完。

因此在执行函数B时，函数A的栈帧其实是已经大部分没用了，可以被修改或覆盖。编译器可以利用这一点进行优化，函数B执行后直接返回到函数A的调用者。?

这里有一点需要注意：它是来自于编译器的优化。?这一点点的优化对于普通的尾调用来说可能意义不大，但是对于尾递归来说就很重要了。?

尾递归

尾递归是一种基于尾调用形式的递归，相当于前面说的函数B就是函数A本身。?

普通递归会存在的一些问题是，每递归一层就会消耗一定的栈空间，递归过深还可能导致栈溢出，同时又是函数调用，免不了push来pop去的，消耗时间。?

采用尾调用的形式来实现递归，即尾递归，理论上可以解决普通递归的存在的问题。因为下一层递归所用的栈帧可以与上一层有重叠（利用jmp来实现），局部变量可重复利用，不需要额外消耗栈空间，也没有push和pop。?

再次提一下，它的实际效果是来自于编译器的优化（目前的理解）。在使用尾递归的情况下，编译器觉得合适就会将递归调用优化成循环。目前大多数编译器都是支持尾递归优化的。有一些语言甚至十分依赖于尾递归（尾调用），比如erlang或其他函数式语言（传说它们为了更好的处理continuation-passing style）。?

假如不存在优化，大家真刀真枪进行函数调用，那尾递归是毫无优势可言的，甚至还有缺点——代码写起来不直观。?

现代编译器的优化能力很强悍，很多情况下编译器优化起来毫不手软（于是有了volatile）。但有时编译器又很傲娇，你需要主动给它一点信号，它才肯优化。尾递归就相当于传递一个信号给编译器，尽情优化我吧！?

测试

为了验证尾递归优化，可以写个小程序进行测试。在VS2010下将使用/O1或以上的优化选项，一般就会尾递归优化。Gcc3.2.2（这版本好旧）下一般需要使用-O2优化选项。

先看看普通递归：

// 递归
int factorial(int n)
{
    if(n <= 2)
    {
        return 1;
    }
    else
    {
        return factorial(n-1) + factorial(n-2);
    }
}

其汇编代码：

00401371	push   %ebp
00401372	mov    %esp,%ebp
00401374	push   %ebx
00401375	sub    $0x14,%esp
00401378	cmpl   $0x2,0x8(%ebp)
0040137C	jg     0x401385 
0040137E	mov    $0x1,%eax
00401383	jmp    0x4013a4 
00401385	mov    0x8(%ebp),%eax
00401388	dec    %eax
00401389	mov    %eax,(%esp)
0040138C	call   0x401371 
00401391	mov    %eax,%ebx
00401393	mov    0x8(%ebp),%eax
00401396	sub    $0x2,%eax
00401399	mov    %eax,(%esp)
0040139C	call   0x401371 
004013A1	lea    (%ebx,%eax,1),%eax
004013A4	add    $0x14,%esp
004013A7	pop    %ebx
004013A8	leave
004013A9	ret

在0040138C,0040139C这些位置，我们看到递归仍然是使用call指令，那么尾递归在汇编角度是怎么处理的呢？

尾递归：

int factorial_tail(int n,int acc1,int acc2)
{
    if (n <2)
    {
        return acc1;
    }
    else
    {
        return factorial_tail(n-1,acc2,acc1+acc2);
    }
}

其汇编代码：

00401381	push   %ebp
00401382	mov    %esp,%ebp
00401384	sub    $0x18,%esp
00401387	cmpl   $0x1,0x8(%ebp)
0040138B	jg     0x401392 
0040138D	mov    0xc(%ebp),%eax
00401390	jmp    0x4013b2 
00401392	mov    0x10(%ebp),%eax
00401395	mov    0xc(%ebp),%edx
00401398	lea    (%edx,%eax,1),%eax
0040139B	mov    0x8(%ebp),%edx
0040139E	dec    %edx
0040139F	mov    %eax,0x8(%esp)
004013A3	mov    0x10(%ebp),%eax
004013A6	mov    %eax,0x4(%esp)
004013AA	mov    %edx,(%esp)
004013AD	call   0x401381 
004013B2	leave
004013B3	ret

在00401390位置上，尾递归是直接使用jmp实现循环跳转。

如何查看C语言程序的汇编？可以看看这篇单独的文章：如何在Code::Blocks下查看程序的汇编代码