C语言用递归求斐波那契数,让你发现递归的缺陷和效率瓶颈
程序员文章站
2022-07-04 11:49:18
递归是一种强有力的技巧,但和其他技巧一样,它也可能被误用。
一般需要递归解决的问题有两个特点:
存在限制条件,当符合这个条件时递归便不再继续;每次递归调用之后越来越接近...
递归是一种强有力的技巧,但和其他技巧一样,它也可能被误用。
一般需要递归解决的问题有两个特点:
存在限制条件,当符合这个条件时递归便不再继续;每次递归调用之后越来越接近这个限制条件。
递归使用最常见的一个例子就是求阶乘,具体描述和代码请看这里:c语言递归和迭代法求阶乘
但是,递归函数调用将涉及一些运行时开销——参数必须压到堆栈中,为局部变量分配内存空间(所有递归均如此,并非特指求阶乘这个例子),寄存器的值必须保存等。当递归函数的每次调用返回时,上述这些操作必须还原,恢复成原来的样子。所以, 基于这些开销,对于递归求阶乘而言,它并没有简化问题的解决方案。
迭代求阶乘使用简单循环的程序,看上去不甚符合前面阶乘的数学定义,但它却能更为有效地计算出结果。如果你仔细观察递归函数,你会发现递归调用是函数所执行的最后一项任务。这个函数是尾部递归(tail recursion)的一个例子。由于函数在递归调用返回之后不再执行任何任务,所以尾部递归可以很方便地转换成一个简单循环,完成相同的任务。
提示:许多问题是以递归的形式进行解释的,这只是因为它比非递归形式更为清晰。但是,这些问题的迭代实现往往比递归实现效率更高,虽然代码的可读性可能稍差一些,当一个问题相当复杂,难以用迭代形式实现时,此时递归实现的简洁性便可以补偿它所带来的运行时开销。
这里有一个更为极端的例子,菲波那契数就是一个数列,数列中每个数的值就是它前面两个数的和。 这种关系常常用递归的形式进行描述:
同样,这种递归形式的定义容易诱导人们使用递归形式来解决问题。这里有一个陷牌:它使用递归步骤计算fibonacci(n-1)和fibonacci(n-2)。但是,在计算fibonacci(n-1)时也将计算fibonacci(n-2)。这个额外的计算代价有多大呢?
答案是,它的代价远远不止一个冗余计算:每个递归调用都触发另外两个递归调用,而这两个调用的任何一个还将触发两个递归调用,再接下去的调用也是如此。这样,冗余计算的数量增长得非常快。例如,在递归计算fibonacci(10)时,fibonacci(3)的值被计算了21次。但是,在递归计算 fibonacci(30)时,fibonacci(3)的值被计算了317811次。当然,这317811次计算所产生的结果是完全一样的,除了其中之一外,其余的纯属浪费。这个额外的开销真是相当恐怖!
如果使用一个简单循环来代替递归,这个循环的形式肯定不如递归形式符合前面菲波那契数的抽象定义,但它的效率提高了几十万倍!
当你使用递归方式实现一个函数之前,先问问你自己使用递归带来的好处是否抵得上它的代价。 而且你必须小心:这个代价可能比初看上去要大得多。
不信请看下面的代码,分别用递归和迭代计算斐波那契数,效率差距真是大的惊人。
运行结果:
result of recursion: 1134903170 time: 7.494000 seconds --------------------------------------- result of iteration: 1134903170 time: 0.000000 seconds
注意:上面的程序最好在gcc(linux下的gcc或windows下的code:blocks)下运行,vc下可能统计不到运行时间。
看吧,用递归花了将近7.5秒的时间,但是用迭代几乎不费吹灰之力,效率快到统计不到运行时间。
- #include
- #include
- #include
- // 递归计算斐波那契数
- long fibonacci_recursion( int n )
- {
- if( n <= 2 )
- return 1;
- return fibonacci_recursion(n-1) + fibonacci_recursion(n-2);
- }
- // 迭代计算斐波那契数
- long fibonacci_iteration( int n )
- {
- long result;
- long previous_result;
- long next_older_result;
- result = previous_result = 1;
- while( n > 2 ){
- n -= 1;
- next_older_result = previous_result;
- previous_result = result;
- result = previous_result + next_older_result;
- }
- return result;
- }
- int main(){
- int n = 45;
- // 递归消耗的时间
- clock_t recursion_start_time = clock();
- long result_recursion = fibonacci_recursion(n);
- clock_t recursion_end_time = clock();
- // 迭代消耗的时间
- clock_t iteration_start_time = clock();
- long result_iteration = fibonacci_iteration(n);
- clock_t iteration_end_time = clock();
- // 输出递归消耗的时间
- printf("result of recursion: %ld \ntime: %fseconds",
- fibonacci_recursion(n),
- (double)(recursion_end_time-recursion_start_time)/clocks_per_sec
- );
- printf("\n-----------------------\n");
- // 输出迭代消耗的时间
- printf("result of iteration: %ld \ntime: %fseconds",
- fibonacci_iteration(n),
- (double)(iteration_end_time-iteration_start_time)/clocks_per_sec
- );
- return 0;
- }
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