關於ES6尾調用優化

ES6包含了一個性能領域的特殊要求。這與一個涉及函數調用的特定優化形式相關:即尾調用優化(Tail Call Optimization,TCO)。簡單地說,尾調用就是一個出現在另一個函數“結尾”處的函數調用。這個調用結束之後就沒有其餘事情要做了(除了可能要返回結果值)

什麼尾調用

舉個例子,下面是一個非遞歸的尾調用:

function foo(x) {
  return x
}

// 尾調用
function bar(y) {
  return foo(y + 1)
}

// 非尾調用
function baz() {
  return 1 + bar(40)
}

baz()   // 輸出42

說明:foo(y+1) bar(...) 中的尾調用,因爲在 foo(...) 完成後,bar(...) 也完成了,並且只需要返回 foo(...) 調用的結果。然而,bar(40) 不是尾調用,因爲在它完成後,它的結果需要加上1才能由 baz() 返回。

在JavaScript裏,調用一個新的函數需要額外的一塊預留內容來管理調用棧,成爲棧幀。所以前面的代碼一般會同時需要爲每個 baz()bar(...)foo(...) 保留一個棧幀。

然而,如果支持TCO的引擎能夠意識到foo(y+1) 調用位於尾部,這意味着 bar(...) 基本上已經完成了,那麼在調用foo(...)時,它就不需要創建一個新的幀棧,而是可以重用已有的 bar(...) 的幀棧。這樣不僅速度快,而且節省內存。

什麼是尾遞歸

在計算機科學裏,尾調用是指一個函數裏的最後一個動作是一個函數調用的情形:即這個調用的返回值直接被當前函數返回的情形。這種情形下稱該調用位置爲尾位置。若這個函數在尾位置調用本身(或是一個尾調用本身的其他函數等等),則稱這種情況爲尾遞歸,是遞歸的一種特殊情形。尾調用不一定是遞歸調用,但是尾遞歸特別有用,也比較容易實現。

TCO的意義

在程序運行時,計算機會爲應用程序分配一定的內存空間;應用程序則會自行分配所獲得的內存空間,其中一部分被用於記錄程序中正在調用的各個函數的運行情況,這就是函數的調用棧。常規的函數調用總是會在調用棧最上層添加一個新的堆棧幀(stack frame,也翻譯爲“棧幀”或簡稱爲“幀”),這個過程被稱作“入棧”或“壓棧”(意即把新的幀壓在棧頂)。當函數的調用層數非常多時,調用棧會消耗不少內存,甚至會撐爆內存空間(棧溢出),造成程序嚴重卡頓或意外崩潰。尾調用的調用棧則特別易於優化,從而可減少內存空間的使用,也能提高運行速度。其中,對尾遞歸情形的優化效果最爲明顯,尤其是遞歸算法非常複雜的情形。

在簡單的代碼片段中,這類優化算不了什麼,但是在處理遞歸時,這就解決了大問題,特別是如果遞歸可能會導致成千上百個棧幀的時候。有了TCO,引擎可以用同一個棧幀執行所有的這類調用!

遞歸是 JavaScript 中一個紛繁複雜的主題。因爲如果沒有TCO的話,引擎需要實現一個隨意的限制來界定遞歸棧的深度,達到了就得停止,以防止內存耗盡。有了TCO,尾調用的遞歸函數本質上就可以任意運行,因爲再也不需要使用額外的內存,也沒有了內存溢出的問題。

下面用尾遞歸實現一個典型的階乘函數:

// 用循環實現
function factorial(n) {
  if (n<2) return 1

  var res = 1
  for (var i = n; i > 1; i--) {
    res *= i
  }
  return res
}

// 用尾遞歸實現
function factorial(n) {
  function fact(n, res) {
    if (n < 2) return res 
    return fact(n-1, n*res)
  }
  return fact(n, 1)
}

factorial(5)   // 輸出120

注意:TCO只用於有實際的尾調用的情況,如果你寫了一個沒有尾遞調用的函數,那麼性能還是會回到普通幀棧分配的情形,引擎對這樣的遞歸調用棧的限制也仍然有效。

總結

一般來說,尾調用消除是可選的,可以用,也可以不用。然而,在函數編程語言中,語言標準通常會要求編譯器或運行平臺實現尾調用消除。這讓程序員可以用遞歸取代循環而不喪失性能。ES6之所以要求引擎實現TCO而不是將其留給引擎自由決定,一個原因是缺乏TCO會導致一些JavaScript算法因爲害怕調用棧限制而降低了通過遞歸實現的概率。

如果在所有的情況下引擎缺乏TCO只是降低了性能,那它就不會成爲ES6所要求的東西。但是,由於缺乏TCO確實可以使一些程序變得無法實現,所以它就成爲了一個重要的語言特性而不是隱藏的實現細節。ES6確保了JavaScript開發者從現在開始可以在所有符合ES6+的瀏覽器中依賴這個優化。這對JavaScript性能來說是一個勝利。

參考文獻

本文由博客一文多發平臺 OpenWrite 發佈!

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章