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author: Gustavo Duarte
category: 软件开发
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date: '2018-06-14 12:50:16'
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excerpt: 当一个函数 F 调用另一个函数作为它的结束动作时，就发生了一个尾调用。
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summary: 当一个函数 F 调用另一个函数作为它的结束动作时，就发生了一个尾调用。
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- 尾调用
- 堆栈
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title: 尾调用、优化和 ES6
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updated: '2018-06-14 12:50:16'
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![](/images/p/201806/14/125010urao2rzn7ccn7om0.jpg)


在探秘“栈”的倒数第二篇文章中，我们提到了<ruby> 尾调用 <rt>  tail call </rt></ruby>、编译优化、以及新发布的 JavaScript 上<ruby> 合理尾调用 <rt>  proper tail call </rt></ruby>。


当一个函数 F 调用另一个函数作为它的结束动作时，就发生了一个**尾调用**。在那个时间点，函数 F 绝对不会有多余的工作：函数 F 将“球”传给被它调用的任意函数之后，它自己就“消失”了。这就是关键点，因为它打开了尾调用优化的“可能之门”：我们可以简单地重用函数 F 的栈帧，而不是为函数调用 [创建一个新的栈帧](https://manybutfinite.com/post/journey-to-the-stack)，因此节省了栈空间并且避免了新建一个栈帧所需要的工作量。下面是一个用 C 写的简单示例，然后使用 [mild 优化](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/asm-tco.sh) 来编译它的结果：



```
int add5(int a)
{
    return a + 5;
}

int add10(int a)
{
    int b = add5(a); // not tail
    return add5(b); // tail
}

int add5AndTriple(int a){
    int b = add5(a); // not tail
    return 3 * add5(a); // not tail, doing work after the call
}

int finicky(int a){
    if (a > 10){
        return add5AndTriple(a); // tail
    }

    if (a > 5){
        int b = add5(a); // not tail
        return finicky(b); // tail
    }

    return add10(a); // tail
}

```

*简单的尾调用 [下载](https://manybutfinite.com/code/x86-stack/tail.c)*


在编译器的输出中，在预期会有一个 [调用](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/tail.s#L37-L39) 的地方，你可以看到一个 [跳转](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/tail-tco.s#L27) 指令，一般情况下你可以发现尾调用优化（以下简称 TCO）。在运行时中，TCO 将会引起调用栈的减少。


一个通常认为的错误观念是，尾调用必须要 [递归](https://manybutfinite.com/post/recursion/)。实际上并不是这样的：一个尾调用可以被递归，比如在上面的 `finicky()` 中，但是，并不是必须要使用递归的。在调用点只要函数 F 完成它的调用，我们将得到一个单独的尾调用。是否能够进行优化这是一个另外的问题，它取决于你的编程环境。


“是的，它总是可以！”，这是我们所希望的最佳答案，它是著名的 Scheme 中的方式，就像是在 [SICP](https://mitpress.mit.edu/sites/default/files/sicp/full-text/book/book-Z-H-11.html)上所讨论的那样（顺便说一声，如果你的程序不像“一个魔法师使用你的咒语召唤你的电脑精灵”那般有效，建议你读一下这本书）。它也是 [Lua](http://www.lua.org/pil/6.3.html) 的方式。而更重要的是，它是下一个版本的 JavaScript —— ES6 的方式，这个规范清晰地定义了[尾的位置](https://people.mozilla.org/%7Ejorendorff/es6-draft.html#sec-tail-position-calls)，并且明确了优化所需要的几个条件，比如，[严格模式](https://people.mozilla.org/%7Ejorendorff/es6-draft.html#sec-strict-mode-code)。当一个编程语言保证可用 TCO 时，它将支持<ruby> 合理尾调用 <rt>  proper tail call </rt></ruby>。


现在，我们中的一些人不能抛开那些 C 的习惯，心脏出血，等等，而答案是一个更复杂的“有时候”，它将我们带进了编译优化的领域。我们看一下上面的那个 [简单示例](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/tail.c)；把我们 [上篇文章](/article-9609-1.html) 的阶乘程序重新拿出来：



```
#include  <stdio.h>

int factorial(int n)
{
    int previous = 0xdeadbeef;

    if (n == 0 || n == 1) {
        return 1;
    }

    previous = factorial(n-1);
    return n * previous;
}

int main(int argc)
{
    int answer = factorial(5);
    printf("%d\n", answer);
}

```

*递归阶乘 [下载](https://manybutfinite.com/code/x86-stack/factorial.c)*


像第 11 行那样的，是尾调用吗？答案是：“不是”，因为它被后面的 `n` 相乘了。但是，如果你不去优化它，GCC 使用 [O2 优化](https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html) 的 [结果](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/factorial-o2.s) 会让你震惊：它不仅将阶乘转换为一个 [无递归循环](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/factorial-o2.s#L16-L19)，而且 `factorial(5)` 调用被整个消除了，而以一个 120 (`5! == 120`) 的 [编译时常数](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/factorial-o2.s#L38)来替换。这就是调试优化代码有时会很难的原因。好的方面是，如果你调用这个函数，它将使用一个单个的栈帧，而不会去考虑 n 的初始值。编译算法是非常有趣的，如果你对它感兴趣，我建议你去阅读 [构建一个优化编译器](http://www.amazon.com/Building-Optimizing-Compiler-Bob-Morgan-ebook/dp/B008COCE9G/) 和 [ACDI](http://www.amazon.com/Advanced-Compiler-Design-Implementation-Muchnick-ebook/dp/B003VM7GGK/)。


但是，这里**没有**做尾调用优化时到底发生了什么？通过分析函数的功能和无需优化的递归发现，GCC 比我们更聪明，因为一开始就没有使用尾调用。由于过于简单以及很确定的操作，这个任务变得很简单。我们给它增加一些可以引起混乱的东西（比如，`getpid()`），我们给 GCC 增加难度：



```
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int pidFactorial(int n)
{
    if (1 == n) {
        return getpid(); // tail
    }

    return n * pidFactorial(n-1) * getpid(); // not tail
}

int main(int argc)
{
    int answer = pidFactorial(5);
    printf("%d\n", answer);
}

```

*递归 PID 阶乘 [下载](https://manybutfinite.com/code/x86-stack/pidFactorial.c)*


优化它，unix 精灵！现在，我们有了一个常规的 [递归调用](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/pidFactorial-o2.s#L20) 并且这个函数分配 O(n) 栈帧来完成工作。GCC 在递归的基础上仍然 [为 getpid 使用了 TCO](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/pidFactorial-o2.s#L43)。如果我们现在希望让这个函数尾调用递归，我需要稍微变一下：



```
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int tailPidFactorial(int n, int acc)
{
    if (1 == n) {
        return acc * getpid(); // not tail
    }

    acc = (acc * getpid() * n);
    return tailPidFactorial(n-1, acc); // tail
}

int main(int argc)
{
    int answer = tailPidFactorial(5, 1);
    printf("%d\n", answer);
}

```

*tailPidFactorial.c [下载](https://manybutfinite.com/code/x86-stack/tailPidFactorial.c)*


现在，结果的累加是 [一个循环](https://github.com/gduarte/blog/blob/master/code/x86-stack/tailPidFactorial-o2.s#L22-L27)，并且我们获得了真实的 TCO。但是，在你庆祝之前，我们能说一下关于在 C 中的一般情形吗？不幸的是，虽然优秀的 C 编译器在大多数情况下都可以实现 TCO，但是，在一些情况下它们仍然做不到。例如，正如我们在 [函数序言](https://manybutfinite.com/post/epilogues-canaries-buffer-overflows/) 中所看到的那样，函数调用者在使用一个标准的 C 调用规则调用一个函数之后，它要负责去清理栈。因此，如果函数 F 带了两个参数，它只能使 TCO 调用的函数使用两个或者更少的参数。这是 TCO 的众多限制之一。Mark Probst 写了一篇非常好的论文，他们讨论了 [在 C 中的合理尾递归](http://www.complang.tuwien.ac.at/schani/diplarb.ps)，在这篇论文中他们讨论了这些属于 C 栈行为的问题。他也演示一些 [疯狂的、很酷的欺骗方法](http://www.complang.tuwien.ac.at/schani/jugglevids/index.html)。


“有时候” 对于任何一种关系来说都是不坚定的，因此，在 C 中你不能依赖 TCO。它是一个在某些地方可以或者某些地方不可以的离散型优化，而不是像合理尾调用一样的编程语言的特性，虽然在实践中可以使用编译器来优化绝大部分的情形。但是，如果你想必须要实现 TCO，比如将 Scheme <ruby> 转译 <rt>  transpilation </rt></ruby>成 C，你将会 [很痛苦](http://en.wikipedia.org/wiki/Tail_call#Through_trampolining)。


因为 JavaScript 现在是非常流行的转译对象，合理尾调用比以往更重要。因此，对 ES6 及其提供的许多其它的重大改进的赞誉并不为过。它就像 JS 程序员的圣诞节一样。


这就是尾调用和编译优化的简短结论。感谢你的阅读，下次再见！




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via:<https://manybutfinite.com/post/tail-calls-optimization-es6/>


作者：[Gustavo Duarte](http://duartes.org/gustavo/blog/about/) 译者：[qhwdw](https://github.com/qhwdw) 校对：[wxy](https://github.com/wxy)


本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出