尾呼叫、優化和 ES6

Gustavo Duarte發表於2018-06-14
優化

在探祕“棧”的倒數第二篇文章中，我們提到了尾呼叫tail call、編譯優化、以及新發布的 JavaScript 上合理尾呼叫proper tail call。

當一個函式 F 呼叫另一個函式作為它的結束動作時，就發生了一個尾呼叫。在那個時間點，函式 F 絕對不會有多餘的工作：函式 F 將“球”傳給被它呼叫的任意函式之後，它自己就“消失”了。這就是關鍵點，因為它開啟了尾呼叫優化的“可能之門”：我們可以簡單地重用函式 F 的棧幀，而不是為函式呼叫 建立一個新的棧幀，因此節省了棧空間並且避免了新建一個棧幀所需要的工作量。下面是一個用 C 寫的簡單示例，然後使用 mild 優化 來編譯它的結果：

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
}

簡單的尾呼叫 下載

在編譯器的輸出中，在預期會有一個 呼叫 的地方，你可以看到一個 跳轉 指令，一般情況下你可以發現尾呼叫優化（以下簡稱 TCO）。在執行時中，TCO 將會引起呼叫棧的減少。

一個通常認為的錯誤觀念是，尾呼叫必須要 遞迴。實際上並不是這樣的：一個尾呼叫可以被遞迴，比如在上面的 finicky() 中，但是，並不是必須要使用遞迴的。在呼叫點只要函式 F 完成它的呼叫，我們將得到一個單獨的尾呼叫。是否能夠進行優化這是一個另外的問題，它取決於你的程式設計環境。

“是的，它總是可以！”，這是我們所希望的最佳答案，它是著名的 Scheme 中的方式，就像是在 SICP上所討論的那樣（順便說一聲，如果你的程式不像“一個魔法師使用你的咒語召喚你的電腦精靈”那般有效，建議你讀一下這本書）。它也是 Lua 的方式。而更重要的是，它是下一個版本的 JavaScript —— ES6 的方式，這個規範清晰地定義了尾的位置，並且明確了優化所需要的幾個條件，比如，嚴格模式。當一個程式語言保證可用 TCO 時，它將支援合理尾呼叫proper tail call。

現在，我們中的一些人不能拋開那些 C 的習慣，心臟出血，等等，而答案是一個更復雜的“有時候”，它將我們帶進了編譯優化的領域。我們看一下上面的那個 簡單示例；把我們 上篇文章 的階乘程式重新拿出來：

#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);
}

遞迴階乘 下載

像第 11 行那樣的，是尾呼叫嗎？答案是：“不是”，因為它被後面的 n 相乘了。但是，如果你不去優化它，GCC 使用 O2 優化 的 結果 會讓你震驚：它不僅將階乘轉換為一個 無遞迴迴圈，而且 factorial(5) 呼叫被整個消除了，而以一個 120 (5! == 120) 的 編譯時常數來替換。這就是除錯優化程式碼有時會很難的原因。好的方面是，如果你呼叫這個函式，它將使用一個單個的棧幀，而不會去考慮 n 的初始值。編譯演算法是非常有趣的，如果你對它感興趣，我建議你去閱讀 構建一個優化編譯器 和 ACDI。

但是，這裡沒有做尾呼叫優化時到底發生了什麼？通過分析函式的功能和無需優化的遞迴發現，GCC 比我們更聰明，因為一開始就沒有使用尾呼叫。由於過於簡單以及很確定的操作，這個任務變得很簡單。我們給它增加一些可以引起混亂的東西（比如，getpid()），我們給 GCC 增加難度：

#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);
}

遞迴 PID 階乘 下載

優化它，unix 精靈！現在，我們有了一個常規的 遞迴呼叫 並且這個函式分配 O(n) 棧幀來完成工作。GCC 在遞迴的基礎上仍然 為 getpid 使用了 TCO。如果我們現在希望讓這個函式尾呼叫遞迴，我需要稍微變一下：

#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 下載

現在，結果的累加是 一個迴圈，並且我們獲得了真實的 TCO。但是，在你慶祝之前，我們能說一下關於在 C 中的一般情形嗎？不幸的是，雖然優秀的 C 編譯器在大多數情況下都可以實現 TCO，但是，在一些情況下它們仍然做不到。例如，正如我們在 函式序言 中所看到的那樣，函式呼叫者在使用一個標準的 C 呼叫規則呼叫一個函式之後，它要負責去清理棧。因此，如果函式 F 帶了兩個引數，它只能使 TCO 呼叫的函式使用兩個或者更少的引數。這是 TCO 的眾多限制之一。Mark Probst 寫了一篇非常好的論文，他們討論了 在 C 中的合理尾遞迴，在這篇論文中他們討論了這些屬於 C 棧行為的問題。他也演示一些 瘋狂的、很酷的欺騙方法。

“有時候” 對於任何一種關係來說都是不堅定的，因此，在 C 中你不能依賴 TCO。它是一個在某些地方可以或者某些地方不可以的離散型優化，而不是像合理尾呼叫一樣的程式語言的特性，雖然在實踐中可以使用編譯器來優化絕大部分的情形。但是，如果你想必須要實現 TCO，比如將 Scheme 轉譯transpilation成 C，你將會 很痛苦。

因為 JavaScript 現在是非常流行的轉譯物件，合理尾呼叫比以往更重要。因此，對 ES6 及其提供的許多其它的重大改進的讚譽並不為過。它就像 JS 程式設計師的聖誕節一樣。

這就是尾呼叫和編譯優化的簡短結論。感謝你的閱讀，下次再見！

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

作者：Gustavo Duarte 譯者：qhwdw 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

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