详解Clojure的递归(上）—— 直接递归及优化

递归可以说是LISP的灵魂之一，通过递归可以简洁地描述数学公式、函数调用，Clojure是LISP的方言，同样需要递归来扮演重要作用。递归的价值在于可以让你的思维以what的形式思考，而无需考虑how，你写出来的代码就是数学公式，就是函数的描述，一切显得直观和透明。如果你不习惯递归，那只是因为命令式语言的思维根深蒂固，如x=x+1这样的表达式，从数学的角度来看完全不合法，但是在命令式语言里却是合法的赋值语句。

递归可以分为直接递归和间接递归，取决于函数是否直接或者间接地调用自身。如果函数的最后一个调用是递归调用，那么这样的递归调用称为尾递归，针对此类递归调用，编译器可以作所谓的尾递归优化（TCO），因为递归调用是最后一个，因此函数的局部变量等没有必要再保存，本次调用的结果可以完全作为参数传递给下一个递归调用，清空当前的栈并复用，那么就不需要为递归的函数调用保存一长串的栈，因此不会有栈溢出的问题。在Erlang、LISP这样的FP语言里，都支持TCO，无论是直接递归或者间接递归。

但是由于JVM自身的限制，Clojure和Scala一样，仅支持直接的尾递归优化，将尾递归调用优化成循环语句。例如一个求阶乘的例子：

;;第一个版本的阶乘函数

(defn fac

(if (= 1 n)

1

(* n (fac (dec n)))))

第一个版本的阶乘并非尾递归，这是因为最后一个表达式的调用是一个乘法运算，而非(fac (dec n))，因此这个版本的阶乘在计算大数的时候会导致栈溢出：

user=> (fac 10000)

java.lang.StackOverflowError (NO_SOURCE_FILE:0)

将第一个版本改进一下，为了让最后一个调用是递归调用，那么我们需要将结果作为参数来传递，而不是倚靠栈来保存，并且为了维持接口一样，我们引入了一个内部函数fac0：

;;第二个版本，不是尾递归的“尾递归”

(defn fac

(defn fac0 [c r]

(if (= 0 c)

r

(fac0 (dec c) (* c r))))

(fac0 n 1))

这个是第二个版本的阶乘，通过将结果提取成参数来传递，就将fac0函数的递归调用修改为尾递归的形式，这是个尾递归吗？这在Scala里，在LISP里，这都是尾递归，但是Clojure的TCO优化却是要求使用recur这个特殊形式，而不能直接用函数名作递归调用，因此我们这个第二版本在计算大数的时候仍然将栈溢出：

user=> (fac 10000)

java.lang.StackOverflowError (NO_SOURCE_FILE:0)

在Clojure里正确地TCO应该是什么样子的呢？其实只要用recur在最后调用那一下替代fac0即可，这就形成我们第三个版本的阶乘：

;;第三个版本，TCO起作用了

(defn fac

(defn fac0 [c r]

(if (= 0 c)

r

(recur (dec c) (* c r))))

(fac0 n 1))

此时你再计算大数就没有问题了，计算(fac 10000)可以正常运行（结果太长，我就不贴出来了）。recur只能跟函数或者loop结合在一起使用，只有函数和loop会形成递归点。我们第三个版本就是利用函数fac0做了尾递归调用的优化。

loop跟let相似，只不过loop会在顶层形成一个递归点，以便recur重新绑定参数，使用loop改写阶乘函数，这时候就不需要定义内部函数了：

;;利用loop改写的第四个版本的阶乘函数

(defn fac

(loop [n n r 1]

(if (= n 0)

r

(recur (dec n) (* n r)))))

loop初始的时候将n绑定为传入的参数n（由于作用域不同，同名没有问题），将r绑定为1，最后recur就可以将新的参数值绑定到loop的参数列表并递归调用。

Clojure的TCO是怎么做到的，具体可以看看我前两天写的这篇博客，本质上是在编译的时候将最后的递归调用转化成一条goto语句跳转到开始的Label，也就是转变成了循环调用。

这个阶乘函数仍然有优化的空间，可以看到，每次计算其实都有部分是重复计算的，如计算(fac 5)也就是1*2*3*4*5，计算(fac 6)的1*2*3*4*5*6，如果能将前面的计算结果缓存下来，那么计算(fac 6)的时候将更快一些，这可以通过memoize函数来包装阶乘函数：

;;第五个版本的阶乘,缓存中间结果

(def fac (memoize fac))

第一次计算(fac 10000)花费的时间长一些，因为还没有缓存：

user=> (time (fac 10000))

"Elapsed time: 170.489622 msecs"

第二次计算快了非常多（其实没有计算，只是返回缓存结果）：

user=> (time (fac 10000))

"Elapsed time: 0.058737 msecs"

可以看到，如果没有预先缓存，利用memoize包装的阶乘函数也是快不了。memoize的问题在于，计算(fac n)路径上的没有用到的值都不会缓存，它只缓存最终的结果，因此如果计算n前面的其他没有计算过的数字，仍然需要重新计算。那么怎么保存路径上的值呢？这可以将求阶乘转化成另一个等价问题来解决。

我们可以将所有的阶乘结果组织成一个无穷集合，求阶乘变成从这个集合里取第n个元素，这是利用Clojure里集合是lazy的特性，集合里的元素如果没有使用到，那么就不会预先计算，而是等待要用到的时候才计算出来，定义一个阶乘结果的无穷集合，可以利用map将fac作用在整数集合上,map、reduce这样的高阶函数返回的是LazySeq：

(def fac-seq (map fac (iterate inc 0)))

(iterate inc 0)定义了正整数集合包括0，0的阶乘没有意义。这个集合的第0项其实是多余的。

查看fac-seq的类型，这是一个LazySeq:

user=> (class fac-seq)

clojure.lang.LazySeq

求n的阶乘，等价于从这个集合里取第n个元素：

user=> (nth fac-seq 10)

3628800

这个集合会比较耗内存，因为会缓存所有计算路径上的独立的值，哪怕他们暂时不会被用到。但是这种采用LazySeq的方式来定义阶乘函数的方式有个优点，那就是在定义fac-seq使用的fac函数无需一定是符合TCO的函数，我们的第一个版本的阶乘函数稍微修改下也可以使用，并且不会栈溢出：

(defn fac

(if (<= n 1)

1

(* n (fac (dec n)))))

(def fac (memoize fac))

(def fac-seq (map fac (iterate inc 0)))

(nth fac-seq 10000)

因为集合从0开始，因此只是修改了fac的if条件为n<=1的时候返回1。至于为什么这样就不会栈溢出，有兴趣的朋友可以自己思考下。

从这个例子也可以看出，一些无法TCO的递归调用可以转化为LazySeq来处理，这算是弥补JVM缺陷的一个办法。