ES6学习笔记 -- 尾调用优化

什么是尾调用？

尾调用（Tail Call）是函数式编程的一个重要概念，就是指某个函数的最后一步是调用另一个函数。

function f(x) {
    return g(x)
}

如上，函数 f 的最后一步是调用函数g，这就叫做尾调用。

但是，如下情况并不属于尾调用：

// 情况一
function f(x) {
    let y = g(x);
    return y;
}

// 情况二
function f(x) {
    return g(x) + 1;
}

// 情况三
function f(x) {
    g(x);
}

1、调用g之后，还有赋值操作，所以不属于尾调用，即使语义完全一样；2、属于调用后还有操作，即使写在一行内，也不属于尾调用；3、等同于 function(x) { g(x); return undefined; } , return undefined才是它的最后执行语句。

但是，尾调用其实不一定出现在尾部，只要是最后一步操作即可：

function f(x) {
    if (x > 0) {
        return m(x)
    }
    return n(x)
}

如上，m 和 n 都属于尾调用，因为它们都是函数 f 的最后一步操作。

尾调用优化

尾调用之所以与其他调用不同，就在于它的特殊的调用位置。

函数调用会在内存形成一个”调用记录“，又称”调用帧“（call frame）,保存调用位置和内部变量等信息。如果在函数A的内部调用函数B，那么在A的调用帧上方，还会形成一个B的调用帧。等到B运行结束，将结果返回到A，B的调用帧才会消失。如果函数B内部还调用函数C，那就还一个C的调用帧，以此类推。所有的调用帧，就形成一个”调用栈“ （call stack）。

尾调用由于是函数的最后一步操作，所以不需要保留外层函数的调用帧，因为调用位置、内部变量等信息都不会再用到了，只要直接内层函数的调用帧，取代外层函数的调用帧就可以了。

function f() {
    let m = 1;
    let n = 2;
    return g(m + n);
}
f();

// 等同于
function f() {
    return g(3);
}
f();

// 等同于
g(3)

如上，如果函数g不是尾调用，函数f 就需要保存内部变量m 和 n 的值、g的调用位置等信息。但是由于调用g之后，函数 f 就结束了所以执行到最后一步，完全可以删除 f(x) 的调用帧，只保留g(3) 的调用帧。

这就叫做”尾调用优化“（Tail call optimization）,即只保留内层函数的调用帧。如果所有函数都是尾调用，那么完全可以做到每次执行时，调用帧只有一项，这将大大节省内存。这就是”尾调用优化“的意义。

注意，只有不再用到外层函数的内部变量，内层函数的调用帧才会取代外层函数的调用帧，否则就无法进行”尾调用优化“。

function addOne(a) {
    var one = 1;
    function inner(b) {
        return b + one;
    }
    return inner(a);
}

上面的函数不会进行尾调用优化，因为内层函数inner用到了外层函数addOne的内部变量one。

尾递归

 函数调用自身，称为递归。如果尾调用自身，就称为尾递归。

递归是一个非常耗内存的操作，因为需要同时保存成千上百个调用帧，很容易发生”栈溢出“错误（stack overflow）。但对于尾递归来说，由于只存在一个调用帧，所以永远不会发生”栈溢出“错误。

function factorial(n) {
    if (n === 1) return 1;
    return n * factorial(n - 1);
}

factorial(5) // 120

如上是一个阶乘函数，计算n的阶乘，最多需要保存n 个调用记录，复杂度O(n)。

但，如果改成尾递归，只保留一个调用记录，复杂度O(1)。

function factorial(n, total) {
    if (n === 1) return total;
    return factorial(n - 1, n * total);
}

factorial(5, 1)  // 120

还有一个比较著名的例子，就是计算Fibonacci（斐波那契数列） 数列 ，也能充分说明尾递归优化的重要性。

非尾递归的Fibonacci 数列实现如下：

function Fibonacci(n) {
    if (n <= 1) {return 1};
    return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}

Fibonacci(10) // 89
Fibonacci(100) // 堆栈溢出
Fibonacci(500) // 堆栈溢出

尾递归优化过的Fibonacci 数列实现如下：

function Fibonacci2(n, ac1 = 1, ac2 = 1) {
    if (n <= 1) { return ac2 };
    return Fibonacci2( n - 1, ac2, ac1 + ac2);
}

Fibonacci2(100) // 堆栈未溢出, 573147844013817200000
Fibonacci2(1000) // 7.0330367711422765e+208
Fibonacci2(10000) // Infinity

由此可见，”尾调用优化“对递归操作意义重大，所以一些函数式编程语言将其写入了语言规格。ES6就是如此，第一次明确规定，所有ECMAScript的实现，都必须部署”尾调用优化“。这就是说，ES6中只要使用尾递归，就不会发生栈溢出，相对节省内存。

推荐阮一峰老师的详细文章：http://es6.ruanyifeng.com/#docs/function