深入了解JavaScript中遞歸的理解與實(shí)現(xiàn)
前言
我們在寫業(yè)務(wù)代碼的時候,或多或少都會遇到需要使用遞歸的場景,比如在遍歷樹形結(jié)構(gòu)時。
本文將通過遞歸的經(jīng)典案例:求斐波那契數(shù)來講解遞歸,通過畫遞歸樹的方式來講解其時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度以及遞歸的執(zhí)行順序,歡迎各位感興趣的開發(fā)者閱讀本文。
遞歸的基本理解
表象理解
- 函數(shù)會自己調(diào)用自己
- 每一次調(diào)用,函數(shù)的參數(shù)都會收斂變小
實(shí)質(zhì)理解
- 把一個大問題變成1個或n個小問題
- 用同樣的邏輯來解決這些問題
- 最后把他拼湊起來,拼成全局問題
具體實(shí)現(xiàn)
- 先寫B(tài)ase case,定義基線條件,判斷其是否為最小號問題,避免死循環(huán)
- Recursive rule:遞歸規(guī)則
實(shí)例解析
接下來我們通過一個實(shí)例來講解遞歸的應(yīng)用。
求斐波那契數(shù)
求特定位置的斐波那契數(shù),用遞歸實(shí)現(xiàn)代碼很簡單,接下來我們先看下斐波那契數(shù)的概念。
- 0號位置的斐波那契數(shù)是0
- 1號位置的斐波那契數(shù)是1
- n(n>1)號位置的斐波那契數(shù)等于 n-1位置的斐波那契數(shù) + n-2位置的斐波那契數(shù)
我們知道怎么計算斐波那契數(shù)后,就可以用遞歸來將其實(shí)現(xiàn)了。
我們可以將上述遞歸的理解中應(yīng)用到求斐波那契數(shù)里,實(shí)現(xiàn)思路和實(shí)現(xiàn)代碼如下:
- Base case: 0號位置的斐波那契數(shù)是0,1號位置的斐波那契數(shù)是1。即:n === 0 return 0, n === 1 return 1;
- Recursive rule: n號位置的值 = n - 1位置的值 + n - 2位置的值,即:fibonacciNumbers(n - 1) + fibonacciNumbers(n - 2);
const fibonacciNumbers = function(n){ // base case if(n === 0){ return 0; }else if(n === 1){ return 1; } // Recursive rule return fibonacciNumbers(n - 1) + fibonacciNumbers( n - 2); }
時間復(fù)雜度分析
我們將上述代碼執(zhí)行過程轉(zhuǎn)換成如下圖所示的遞歸樹,觀察二叉樹中的節(jié)點(diǎn)后我們發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:
- 第0層有1個節(jié)點(diǎn),第1層有2個節(jié)點(diǎn),第2層有4個節(jié)點(diǎn),第3層...第n層,每一層的節(jié)點(diǎn)數(shù)都是上一層的2倍。
- 即:1 + 2 + 4 + 8 + 2^(n-1),等比數(shù)列求和后:2^n,時間復(fù)雜度為:O(2^n)。
- 最后一層結(jié)點(diǎn)的總數(shù),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他所有層的總數(shù)。
- 時間復(fù)雜度取決于遞歸樹中一共有多少節(jié)點(diǎn)。
- 所有遞歸的時間復(fù)雜度都可以通過遞歸樹來分析。
空間復(fù)雜度分析
分析空間復(fù)雜度我們可以通過遞歸的執(zhí)行順序來分析,我們將上述代碼的執(zhí)行順序整理成遞歸圖標(biāo)示其執(zhí)行順序,我們發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:
- 由于馮諾伊曼體系的影響,遞歸樹執(zhí)行時采用深度優(yōu)先的方式執(zhí)行。即:順著一條線執(zhí)行到底(蜜橙色線條)。
- 圖中每一層執(zhí)行時的bp全稱為:break point,每一層執(zhí)行到bp時,會將當(dāng)前層的變量(n)記錄一下,放進(jìn)Call stack中。
- 由于執(zhí)行遞歸樹中的每一層時,都會有一個Call stack操作,將當(dāng)前層的變量(n)放進(jìn)去,因此遞歸樹中有多少個調(diào)用棧取決于遞歸樹的層數(shù),因此空間復(fù)雜度為O(n)。
- 空間復(fù)雜度與節(jié)點(diǎn)總數(shù)關(guān)系不大,與其在Call stack里總共存了多少層直接相關(guān)。
- 所有遞歸的空間復(fù)雜度都可以通過遞歸樹來分析。
執(zhí)行順序分析
上述遞歸圖的執(zhí)行順序如下圖所示,接下來帶著代價來分析下每一步都做了哪些事情:
- 當(dāng)函數(shù)執(zhí)行到return fibonacciNumbers(n - 1) + fibonacciNumbers( n - 2) 的時候,由于馮諾伊曼體系的影響,它不會并行執(zhí)行,他會先執(zhí)行fibonacciNumbers(n - 1)函數(shù),觸發(fā)基線條件時,return到上一層,取出其在上一層在call Stack中存儲的n的值,然后再去執(zhí)行fibonacciNumbers( n - 2)函數(shù),計算它右子樹的值。
- 因此他會先執(zhí)行fibonacciNumbers(n - 1)函數(shù),即:F(4) => F(3) ... =>F1(圖中的第1行)
- 當(dāng)他執(zhí)行到F(1)的時候,n = 1,觸發(fā)基線條件return 1返回到上一層F(2),即圖中的第2行
- 返回到F(2)層時,取出當(dāng)前層Call Stack中存儲的n的值,執(zhí)行fibonacciNumbers(n - 2)函數(shù),執(zhí)行到F(0),即圖中的第3行
- 此時F(0)中n的值為0,觸發(fā)基線條件,return 0,即圖中的第4行
- 此時(2)節(jié)點(diǎn)的左子樹和右子樹的值都計算出來了,因此可以執(zhí)行fibonacciNumbers(n - 1) + fibonacciNumbers( n - 2)函數(shù),將左、右子樹的值相加,即得到了F(2)的值,然后return至上一層F(3),即圖中的第5行。
- 返回到F(3)時,與第3步一樣,獲取其右子樹的值,然后重復(fù)第3至6步的步驟,直至計算出F(3)和F(2)的值,將其相加就得出了F(4)的值,此時F(4)處的值就是我們需要求的斐波那契數(shù),即圖中的第6~16行。
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