漫谈递归：循环与迭代

理清递归、迭代、循环的概念

先摘抄“为之漫笔”对这几个概念的一段理解：

loop、iterate、traversal和recursion这几个词是计算机技术书中经常会出现的几个词汇。众所周知，这几个词分别翻译为：循环、迭代、遍历和递归。乍一看，这几个词好像都与重复（repeat）有关，但有的又好像不完全是重复的意思。那么这几个词到底各是什么含义，有什么区别和联系呢？下面就试着解释一下。

循环（loop），指的是在满足条件的情况下，重复执行同一段代码。比如，while语句。
迭代（iterate），指的是按照某种顺序逐个访问列表中的每一项。比如，for语句。
遍历（traversal），指的是按照一定的规则访问树形结构中的每个节点，而且每个节点都只访问一次。
递归（recursion），指的是一个函数不断调用自身的行为。比如，以编程方式输出著名的斐波纳契数列。

有了以上定义，这几个概念之间的区别其实就比较清楚了。至于它们之间的联系，严格来讲，它们似乎都属于算法的范畴。换句话说，它们只不过是解决问题的不同手段和方式，而本质上则都是计算机编程中达成特定目标的途径。

迭代

迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法。它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对一组指令（或一定步骤）进行重复执行，在每次执行这组指令（或这些步骤）时，都从变量的原值推出它的一个新值。

利用迭代算法解决问题，需要做好以下三个方面的工作：

确定迭代变量。在可以用迭代算法解决的问题中，至少存在一个直接或间接地不断由旧值递推出新值的变量，这个变量就是迭代变量。
建立迭代关系式。所谓迭代关系式，指如何从变量的前一个值推出其下一个值的公式(或关系)。迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，通常可以使用递推或倒推的方法来完成。
对迭代过程进行控制。在什么时候结束迭代过程?这是编写迭代程序必须考虑的问题。不能让迭代过程无休止地重复执行下去。迭代过程的控制通常可分为两种情况：一种是所需的迭代次数是个确定的值，可以计算出来;另一种是所需的迭代次数无法确定。对于前一种情况，可以构建一个固定次数的循环来实现对迭代过程的控制;对于后一种情况，需要进一步分析出用来结束迭代过程的条件。

可以用迭代的算法有很经典的问题，比如兔子产子问题：假定你有一雄一雌一对刚出生的兔子，它们在长到一个月大小时开始交配，在第二月结束时，雌兔子产下另一对兔子，过了一个月后它们也开始繁殖，如此这般持续下去。每只雌兔在开始繁殖时每月都产下一对兔子，假定没有兔子死亡，在一年后总共会有多少对兔子？

还有上楼梯的走法问题：有一段楼梯有10级台阶，规定每一步只能跨一级或两级，要登上第10级台阶有几种不同的走法？

这两个问题可以参看以前写的一篇文章：趣味算法之兔子产子问题

迭代与循环

先从字面上看：

迭代：“迭”：轮流，轮番，替换，交替，更换。“代”：代替。所以迭代的意思是：变化的循环，这种变化就是轮番代替，轮流代替。
循环：不变的重复。

个人认为迭代是循环的一种，循环体代码分为固定循环体，和变化的循环体。

固定的循环举例：

1
for($i=0; $i < 8; $i++){

2
    echo 'Welcome to NowaMagic';

3
}

实现迭代：

1
$sum = 0;

2
 
3
for($i = 1; $i <= 1000; $i++ ){

4
    $sum = $sum + i;

5
}

上面的迭代是常见的递增式迭代。类似的还有递减式迭代，递乘式迭代。

迭代的好处：迭代减少了冗余代码，提高了代码的利用率和动态性。

循环、迭代与递归

1. 递归算法与迭代算法的设计思路区别在于：函数或算法是否具备收敛性，当且仅当一个算法存在预期的收敛效果时，采用递归算法才是可行的，否则，就不能使用递归算法。

当然，从理论上说，所有的递归函数都可以转换为迭代函数，反之亦然，然而代价通常都是比较高的。但从算法结构来说，递归声明的结构并不总能够转换为迭代结构，原因在于结构的引申本身属于递归的概念，用迭代的方法在设计初期根本无法实现，这就像动多态的东西并不总是可以用静多态的方法实现一样。这也是为什么在结构设计时，通常采用递归的方式而不是采用迭代的方式的原因，一个极典型的例子类似于链表，使用递归定义及其简单，但对于内存定义(数组方式)其定义及调用处理说明就变得很晦涩，尤其是在遇到环链、图、网格等问题时，使用迭代方式从描述到实现上都变得很不现实。

2. 递归其实是方便了程序员难为了机器。它只要得到数学公式就能很方便的写出程序。优点就是易理解，容易编程。但递归是用栈机制实现的，每深入一层，都要占去一块栈数据区域，对嵌套层数深的一些算法，递归会力不从心，空间上会以内存崩溃而告终，而且递归也带来了大量的函数调用，这也有许多额外的时间开销。所以在深度大时，它的时空性就不好了。

循环其缺点就是不容易理解，编写复杂问题时困难。优点是效率高。运行时间只因循环次数增加而增加，没什么额外开销。空间上没有什么增加。

3. 局部变量占用的内存是一次性的，也就是O(1)的空间复杂度，而对于递归（不考虑尾递归优化的情况），每次函数调用都要压栈，那么空间复杂度是O(n)，和递归次数呈线性关系。

4. 递归程序改用循环实现的话，一般都是要自己维护一个栈的，以便状态的回溯。如果某个递归程序改用循环的时候根本就不需要维护栈，那其实这个递归程序这样写只是意义明显一些，不一定要写成递归形式。但很多递归程序就是为了利用函数自身在系统栈上的auto变量记录状态，以便回溯。

原理上讲，所有递归都是可以消除的，代价就是可能自己要维护一个栈。而且我个人认为，很多情况下用递归还是必要的，它往往能把复杂问题分解成更为简单的步骤，而且很能反映问题的本质。

递归其实就是利用系统堆栈，实现函数自身调用，或者是相互调用的过程。在通往边界的过程中，都会把单步地址保存下来，知道等出边界，再按照先进后出的进行运算，这正如我们装木桶一样，每一次都只能把东西方在最上面，而取得时候，先放进取的反而最后取出。递归的数据传送也类似。但是递归不能无限的进行下去，必须在一定条件下停止自身调用，因此它的边界值应是明确的。就向我们装木桶一样，我们不能总是无限制的往里装，必须在一定的时候把东西取出来。比较简单的递归过程是阶乘函数，你可以去看一下。但是递归的运算方法，往往决定了它的效率很低，因为数据要不断的进栈出栈。

但是递归作为比较基础的算法，它的作用不能忽视。