函数优化之尾调用实践(PHP)

参考维基百科对“尾调用”定义：

     在计算机科学里，尾调用是指一个函数里的最后一个动作是一个函数调用的情形：即这个调用的返回值直接被当前函数返回的情形。这种情形下称该调用位置为尾位置。若这个函数在尾位置调用本身（或是一个尾调用本身的其他函数等等），则称这种情况为尾递归，是递归的一种特殊情形。尾调用不一定是递归调用，但是尾递归特别有用，也比较容易实现。

在程序运行时，计算机会为应用程序分配一定的内存空间；应用程序则会自行分配所获得的内存空间，其中一部分被用于记录程序中正在调用的各个函数的运行情况，这就是函数的调用栈。常规的函数调用总是会在调用栈最上层添加一个新的堆栈帧（stack frame，也翻译为“栈帧”或简称为“帧”），这个过程被称作“入栈”或“压栈”（意即把新的帧压在栈顶）。当函数的调用层数非常多时，调用栈会消耗不少内存，甚至会撑爆内存空间（栈溢出）^[1]，造成程序严重卡顿或意外崩溃。尾调用的调用栈则特别易于优化，从而可减少内存空间的使用，也能提高运行速度。^[1]其中，对尾递归情形的优化效果最为明显，尤其是递归算法非常复杂的情形。^[1]

一般来说，尾调用消除是可选的，可以用，也可以不用。然而，在函数编程语言中，语言标准通常会要求编译器或运行平台实现尾调用消除。这让程序员可以用递归取代循环而不丧失性能。

这里还是以php语言来做示例演示。

factorial.php

[root@guangzhou tmp_dir]# cat factorial.php 
<?php

function factorial($n) {
    if ($n == 0) {
        return 1;
    }

    return factorial($n - 1) * $n;
}

$start = microtime(true);

echo '内存使用量1:' . memory_get_usage() . PHP_EOL;

echo '运行结果：' . factorial(80000) . PHP_EOL;

echo '运行耗时:' . (microtime(true) - $start)  . 's' . PHP_EOL;

echo '内存使用量2：:' . memory_get_usage() . PHP_EOL;

echo '内存使用峰值:' . memory_get_peak_usage() . PHP_EOL;
[root@guangzhou tmp_dir]# php factorial.php 
内存使用量1:700840
运行结果：INF
运行耗时:0.010078907012939s
内存使用量2：:700872
内存使用峰值:13283784

factorial2.php

[root@guangzhou tmp_dir]# cat factorial2.php 
<?php

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

$start = microtime(true);

echo '内存使用量1:' . memory_get_usage() . PHP_EOL;

echo '运行结果：' . factorial(80000) . PHP_EOL;

echo '运行耗时:' . (microtime(true) - $start)  . 's' . PHP_EOL;

echo '内存使用量2：:' . memory_get_usage() . PHP_EOL;

echo '内存使用峰值:' . memory_get_peak_usage() . PHP_EOL;
[root@guangzhou tmp_dir]# php factorial2.php 
内存使用量1:701096
运行结果: INF
运行耗时:0.01151704788208s
内存使用量2：:701128
内存使用峰值:14594760

上面可见factorial2.php峰值内存使用14mb左右。

后面将$n=80000改成$n=800000，报错内存溢出，后面查询网上资料，发现php的尾调用需要换种方式来编写。

这里直接运行$n=800000000

factorial3.php

[root@guangzhou tmp_dir]# cat factorial3.php 
<?php

function factorial($n, $accumulator = 1) {
    if ($n == 0) {
        return $accumulator;
    }

    return function() use($n, $accumulator) {
        return factorial($n - 1, $accumulator * $n);
    };
}

function trampoline($callback, $params) {
    $result = call_user_func_array($callback, $params);

    while (is_callable($result)) {
        $result = $result();
    }

    return $result;
}

$start = time();

echo '内存使用量1:' . memory_get_usage() . PHP_EOL;

echo '运行结果：' . trampoline('factorial', array(80000000)) . PHP_EOL;

echo '运行耗时:' . (time() - $start)  . 's' . PHP_EOL;

echo '内存使用量2：:' . memory_get_usage() . PHP_EOL;

echo '内存使用峰值:' . memory_get_peak_usage() . PHP_EOL;
[root@guangzhou tmp_dir]# php factorial3.php 
内存使用量1:703104
运行结果：INF
运行耗时:20s
内存使用量2：:703136
内存使用峰值:807304

可见内存使用不多，峰值只是增加100kb左右。