Метод рекурсии в программировании

Как работает рекурсия – объяснение в блок-схемах и видео

Представляю вашему вниманию перевод статьи Beau Carnes How Recursion Works — explained with flowcharts and a video.

Рекурсию порой сложно понять, особенно новичкам в программировании. Если говорить просто, то рекурсия – это функция, которая сама вызывает себя. Но давайте попробую объяснить на примере.

Представьте, что вы пытаетесь открыть дверь в спальню, а она закрыта. Ваш трехлетний сынок появляется из-за угла и говорит, что единственный ключ спрятан в коробке. Вы опаздываете на работу и Вам действительно нужно попасть в комнату и взять вашу рубашку.

Вы открываете коробку только чтобы найти… еще больше коробок. Коробки внутри коробок и вы не знаете, в какой из них Ваш ключ. Вам срочно нужна рубашка, так что вам надо придумать хороший алгоритм и найти ключ.

Есть два основных подхода в создании алгоритма для решения данной проблемы: итеративный и рекурсивный. Вот блок-схемы этих подходов:

Какой подход для Вас проще?

В первом подходе используется цикл while. Т.е. пока стопка коробок полная, хватай следующую коробку и смотри внутрь нее. Ниже немного псевдокода на Javascript, который отражает то, что происходит (Псевдокод написан как код, но больше похожий на человеческий язык).

function look_for_key(main_box) < let pile = main_box.make_a_pile_to_look_through(); while (pile is not empty) < box = pile.grab_a_box(); for (item in box) < if (item.is_a_box()) < pile.append(item) >else if (item.is_a_key()) < console.log("found the key!") >> > >

В другом подходе используется рекурсия. Помните, рекурсия – это когда функция вызывает саму себя. Вот второй вариант в псевдокоде:

function look_for_key(box) < for (item in box) < if (item.is_a_box()) < look_for_key(item); >else if (item.is_a_key()) < console.log("found the key!") >> >

Оба подхода выполняют одно и тоже. Основный смысл в использовании рекурсивного подхода в том, что однажды поняв, вы сможете легко его читать. В действительности нет никакого выигрыша в производительности от использования рекурсии. Порой итеративный подход с циклами будет работать быстрее, но простота рекурсии иногда предпочтительнее.

Поскольку рекурсия используется во многих алгоритмах, очень важно понять как она работает. Если рекурсия до сих пор не кажется Вам простой, не беспокойтесь: Я собираюсь пройтись еще по нескольким примерам.

Граничный и рекурсивный случай

То, что Вам необходимо принять во внимание при написании рекурсивной функции – это бесконечный цикл, т.е. когда функция вызывает саму себя… и никогда не может остановиться.
Допустим, Вы хотите написать функцию подсчета. Вы можете написать ее рекурсивно на Javascript, к примеру:

// WARNING: This function contains an infinite loop! function countdown(i) < console.log(i) countdown(i - 1) >countdown(5); // This is the initial call to the function.

Эта функция будет считать до бесконечности. Так что, если Вы вдруг запустили код с бесконечным циклом, остановите его сочетанием клавиш «Ctrl-C». (Или, работая к примеру в CodePen, это можно сделать, добавив “?turn_off_js=true” в конце URL.)

Рекурсивная функция всегда должна знать, когда ей нужно остановиться. В рекурсивной функции всегда есть два случая: рекурсивный и граничный случаи. Рекурсивный случай – когда функция вызывает саму себя, а граничный – когда функция перестает себя вызывать. Наличие граничного случая и предотвращает зацикливание.

И снова функция подсчета, только уже с граничным случаем:

function countdown(i) < console.log(i) if (i else < // recursive case countdown(i - 1) >> countdown(5); // This is the initial call to the function.

То, что происходит в этой функции может и не быть абсолютно очевидным. Я поясню, что произойдет, когда вы вызовете функцию и передадите в нее цифру 5.

Сначала мы выведем цифру 5, используя команду Console.Log. Т.к. 5 не меньше или равно 1, то мы перейдем в блок else. Здесь мы снова вызовем функцию и передадим в нее цифру 4 (т.к. 5 – 1 = 4).

Мы выведем цифру 4. И снова i не меньше или равно 1, так что мы переходим в блок else и передаем цифру 3. Это продолжается, пока i не станет равным 1. И когда это случится мы выведем в консоль 1 и i станет меньше или равно 1. Наконец мы зайдем в блок с ключевым словом return и выйдем из функции.

Стек вызовов

Рекурсивные функции используют так называемый «Стек вызовов». Когда программа вызывает функцию, функция отправляется на верх стека вызовов. Это похоже на стопку книг, вы добавляете одну вещь за одни раз. Затем, когда вы готовы снять что-то обратно, вы всегда снимаете верхний элемент.

Я продемонстрирую Вам стек вызовов в действии, используя функцию подсчета факториала. Factorial(5) пишется как 5! и рассчитывается как 5! = 5*4*3*2*1. Вот рекурсивная функция для подсчета факториала числа:

Теперь, давайте посмотрим что же происходит, когда вы вызываете fact(3). Ниже приведена иллюстрация в которой шаг за шагом показано, что происходит в стеке. Самая верхняя коробка в стеке говорит Вам, что вызывать функции fact, на которой вы остановились в данный момент:

Заметили, как каждое обращение к функции fact содержит свою собственную копию x. Это очень важное условие для работы рекурсии. Вы не можете получить доступ к другой копии функции от x.

Нашли уже ключ?

Давайте кратенько вернемся к первоначальному примеру поиска ключа в коробках. Помните, что первым был итеративный подход с использованием циклов? Согласно этому подходу Вы создаете стопку коробок для поиска, поэтому всегда знаете в каких коробках вы еще не искали.

Но в рекурсивном подходе нет стопки. Так как тогда алгоритм понимает в какой коробке следует искать? Ответ: «Стопка коробок» сохраняется в стеке. Формируется стек из наполовину выполненных обращений к функции, каждое из которых содержит свой наполовину выполненный список из коробок для просмотра. Стек следит за стопкой коробок для Вас!

И так, спасибо рекурсии, Вы наконец смогли найти свой ключ и взять рубашку!

Вы также можете посмотреть мое пятиминутное видео про рекурсию. Оно должно усилить понимание, приведенных здесь концепций.

Заключение от автора

Надеюсь, что статья внесла немного больше ясности в Ваше понимание рекурсии в программировании. Основой для статьи послужил урок в моем новом видео курсе от Manning Publications под названием «Algorithms in Motion». И курс и статься написаны по замечательной книге «Grokking Algorithms», автором которой является Adit Bhargava, кем и были нарисованы все эти замечательные иллюстрации.

И наконец, чтобы действительно закрепить свои знания о рекурсии, Вы должны прочитать эту статью, как минимум, еще раз.

От себя хочу добавить, что с интересом наблюдаю за статьями и видеоуроками Beau Carnes, и надеюсь что Вам тоже понравилась статья и в особенности эти действительно замечательные иллюстрации из книги A. Bhargav «Grokking Algorithms».

Источник

Что такое рекурсия, рекурсивный и итеративный процесс в программировании

Рекурсия vs рекурсивный или итеративный процесс: в чем разница

Рекурсия — это функция, которая вызывает саму себя, но с другими значениями параметров.

На самом деле понятия рекурсии и процесса никак не связаны. Рекурсия — просто абстрактная концепция, которую можно наблюдать в природе, в математике и в других областях. Такая же абстрактная, как, например, музыкальная гармония.

Теперь давайте поговорим о компьютерах. Для выполнения задач им нужны инструкции. Когда компьютер выполняет набор инструкций — это процесс. Ваш работающий сейчас браузер — тоже процесс. Простой цикл, выводящий на экран десять раз число «42» — также процесс.

Некоторые задачи можно решать рекурсивно, то есть использовать концепцию, когда что-то является частью самого себя, в инструкциях. В частности, функция может быть частью самой себя, то есть вызывать саму себя.

Методы решения задач с помощью рекурсии

Есть два метода решения задач с использованием рекурсии: рекурсивный процесс и итеративный процесс. Рекурсия в них не отличается: в каждом из подходов функция вызывает саму себя, рекурсивно. Отличаются способы использования идеи рекурсии.

Давайте продолжим аналогию с музыкальной гармонией и подумаем про фортепиано. При написании музыки используем эту концепцию — «гармонию звуков». Можно придумать разные способы: рассчитывать частоты звуков — ноты — математическими формулами или рассчитывать правильные расстояния между клавишами.

В детстве я научился находить правильные расстояния между клавишами на фортепиано, и получал гармоничные комбинации звуков, но понятия не имел, что это за ноты. А профессиональный музыкант знает теорию и подбирает гармонию другими методами. В любом случае, гармония есть гармония, эта концепция не меняется, меняются лишь способы ее использования.

В чем отличие рекурсивного процесса от итеративного

Рекурсивный процесс на каждом шаге рекурсии говорит «я это запомню и потом посчитаю». «Потом» наступает в самом конце.

• Если рекурсивный процесс считает факториал 6, то ему нужно запомнить 5 чисел, чтобы посчитать их в самом конце, когда уже никуда не деться и рекурсивно двигаться вниз больше нельзя
• Когда мы находимся в очередном вызове функции, то где-то снаружи этого вызова в памяти хранятся эти запомненные числа

На этой картинке видно, как растет использование памяти: процессу нужно запоминать все больше и больше чисел

Рекурсивный процесс — это процесс с отложенным вычислением.

Итеративный процесс постоянно говорит «я сейчас посчитаю все что можно и продолжу» на каждом шаге рекурсии. Ему не нужно ничего запоминать вне вызова, он всегда все считает в первый возможный момент. Каждый шаг рекурсии может существовать в изоляции от прошлых, потому что вся информация передается последовательно.

• Когда итеративный процесс считает факториал 6, то ему не нужно запоминать числа. Нужно лишь считать и передавать результат дальше, в новый вызов
• Когда мы находимся в очередном вызове функции, снаружи этого вызова в памяти ничего не нужно запоминать

А на этой картинке видно, что использование памяти не растет.

Подытожим в шуточной форме. Рекурсивный процесс — это чувак, который все дела откладывает на вечер пятницы. В течение недели у него мало работы, а в пятницу завал. Но ему так нравится.

Итеративный процесс — это чувак, который все делает при первой возможности. У него работа равномерно распределена по неделе, а пятница — просто обычный день, но последний.

Что такое рекурсивные функции и в чем особенность их применения

Рекурсивные функции — это те функции, которые используют итеративный процесс. Для каждого рекурсивного вызова в стек вызовов записывается вся информация, связанная с этим вызовом, вроде параметров функции и ее локальных переменных, адреса возврата в точку вызова.

Для рекурсивной функции выделяется дополнительная область памяти — лексический контекст функции, область видимости —, которая обслуживает рекурсивный вызов. Так как это стек вызовов, то контексты предыдущих рекурсивных вызовов также продолжают занимать память.

Достижение большой глубины рекурсии, или же, недостижение терминального условия выхода из рекурсии, приводит к переполнению стека, так как он ограничен в размерах, и аварийному завершению всей программы.

Читайте также: Как проверить качество кода: функциональное и нефункциональное тестирование

В контексте каждого рекурсивного вызова такой функции хранится вся необходимая информация для его успешного выполнения. Он самодостаточен и никак не зависит от предыдущих контекстов. Помните, что этот чувак ничего не откладывает на потом, на вечер пятницы?

В наших практиках на Хекслете мы реализовывали такое поведение благодаря использованию аккумулятора acc, который передается в качестве аргумента из одного вызова в другой и накапливает в себе результат вычисления необходимого значения.

Получается, что, грубо говоря, на каком бы по уровню вложенности рекурсивном вызове мы не находились, все предыдущие уже не имеют значения и являются «бесполезной обузой», нагружающей память. Это распространяется в том числе и на самый последний рекурсивный вызов, где срабатывает терминальное условие. Он готов вернуть готовое вычисленное значение из функции сразу, ему не нужны для этого предыдущие контексты в стеке.

Что такое хвостовая рекурсия

Как использовать преимущества итеративного процесса и одновременно избавиться от недостатка рекурсивных функций, то есть от неумолимого роста использования памяти? Можно избавить процесс от заполнения стека «ненужными» контекстами предыдущих вызовов и обеспечить прямой возврат из функции при достижении терминального условия.

Для этого служит так называемая оптимизация хвостовой рекурсии (Tail call optimization). Итеративный процесс, который мы рассмотрели, как раз можно отнести к хвостовой рекурсии. Благодаря оптимизации состояния стека, она придает итеративному процессу вид «плоской» итерации. Так исключается его переполнение из-за большой глубины рекурсии.

Хвостовая рекурсия и ее оптимизация широко используется при написании программ на функциональных языках программирования.

Никогда не останавливайтесь: В программировании говорят, что нужно постоянно учиться даже для того, чтобы просто находиться на месте. Развивайтесь с нами — на Хекслете есть сотни курсов по разработке на разных языках и технологиях

Источник