在 C++ 中进行尾递归答案

【问题标题】：Doing tail recursion in C++在 C++ 中进行尾递归
【发布时间】：2015-05-26 23:28:37
【问题描述】：

如果我进行尾调用递归（而不是for (;;)...break 循环），我的函数可以更简单地编写。但是我担心如果编译器无法优化它，我会遇到性能问题，特别是因为它将由最终用户编译。

有没有办法告诉编译器“确保优化这个尾调用，否则给我一个错误”（例如 Scala 支持这个）
如果编译器无法优化它，性能限制是多少？在不破坏堆栈的情况下，我预计可以运行多少次尾调用？

更新：

编译器是 gcc 和 MSVC。

通常情况下，我预计会有十几个尾随。但极端情况可能有数千人。平台是典型的低端笔记本电脑（例如 Core i3 或 i5）。

【问题讨论】：

您预计大概有多少尾电话？你的目标是什么编译器？
如果它真的是尾递归，并且您需要确定编译器会优化掉递归，那么自己将其编码为循环应该很简单。
请参阅this answer 以查找可能无法优化尾递归函数的其他一些原因。

标签： c++ optimization recursion tail-call-optimization

【解决方案1】：

不，没有办法告诉编译器需要尾递归。一些编译器（我不知道）可能支持特定于实现的注释，但这需要用户使用该特定的编译器。其他一些编译器，在某些模式下，故意从不支持尾调用，因为它们可以通过不支持尾调用来提供更好的调试体验。用户可能正在使用这样的编译器。

允许的递归深度高度依赖于程序、函数和实现，并且无法给出合理的数字。给定一个特定平台，您可能可以确定默认堆栈大小，调查该平台上特定编译器的帧大小，并进行简单的除法以粗略估计您可以拥有多少嵌套调用。

我建议以一种让读者清楚正在发生的事情的方式重写它，但不依赖于编译器优化尾调用。尽管讨厌，goto 语句对此非常有用。

取一个简单的尾递归位计数函数：

int bitcount(unsigned int n, int acc = 0) {
  if (n == 0)
    return acc;

  return bitcount(n >> 1, acc + (n & 1));
}

可以简单地改写为

int bitcount(unsigned int n, int acc = 0) {
tail_recurse:
  if (n == 0)
    return acc;

  // tail return bitcount(n >> 1, acc + (n & 1));
  acc += n & 1;
  n = n >> 1;
  goto tail_recurse;
}

当然，这是一个简单的版本，它被简单地重写以完全避免递归，甚至可能不应该手动实现，但我在这里使用的具体转换是你可以应用于 any 可以进行尾递归以及需要尾递归的函数。评论应该确保读者仍然可以轻松地发现发生了什么。

【讨论】：

这个例子也可以很容易地用while循环来写，让它更清晰，但很高兴看到并不是所有的都反对goto。
@SamiKuhmonen 是的，这就是我所说的“简单地重写以完全避免递归”的意思。谢谢。 :)

【解决方案2】：

使用 GCC，您可以使用 backtrace() 函数添加运行时检查：

#include <cassert>
#include <iostream>
#include <execinfo.h>

size_t start;

size_t stack_frames()
{
  void *array[16];
  size_t size = backtrace(array, 16);

  // std::cout << "Obtained " << size << " stack frames.\n";
  return size;
}

bool missing_tail()
{
  return stack_frames() > start + 2;
}

int bitcount(unsigned int n, int acc = 0)
{
  assert(!missing_tail());

  if (n == 0)
    return acc;

  return bitcount(n >> 1, acc + (n & 1));
}

int main()
{
  start = stack_frames();

  std::cout << bitcount(10) << '\n';

  return 0;
}

当使用低于 -O2 的优化级别（无尾递归优化）编译时，您会遇到断言失败。

【讨论】：