C 语言尾调用优化

在本文中，我们将通过几个例子讨论 C 语言中的尾调用优化。

尾调用是一种函数调用形式，其中另一个函数被调用，作为当前函数的最后一个操作。在这里，函数调用出现在当前函数体末尾的最后一个语句。

尾调用优化（TCO）是一种编程语言优化方法，用于通过重用堆栈空间和减少递归期间所需的内存量来优化递归程序。C 标准并未正式定义TCO，尽管某些编译器可能会使用此优化来提高程序性能。

识别尾调用和递归

递归是指一个函数调用自身，直到达到不再调用自身的基准情况。每次递归调用都会生成一个新的堆栈帧来存储变量和执行上下文。当一个函数的递归调用是返回一个值之前的最后一个操作时，它被称为“尾调用”。

TCO 如何工作？

TCO 通过重用当前函数的堆栈帧而不是创建新堆栈帧来优化尾调用。此优化消除了由过多递归调用引起的堆栈溢出问题。

TCO 的条件

当函数在产生值之前的最后一个操作是递归调用时，会发生TCO。但是，C 编译器要执行 TCO 必须满足几个要求。

• 尾部位置：递归调用必须发生在尾部位置，即在函数末尾，并且结果值在返回之前不能进一步处理。
• 无额外操作：递归调用之后不应有未完成的操作或表达式需要计算。

示例

在 C 语言中，编写一个尾递归函数来计算一个整数模素数的阶乘。

输出

40320

上述函数的优化形式

这是TCO 发挥作用的情况，它允许编译器在调用之前，如果调用是函数中的最后一个操作，则避免创建新的堆栈帧。

TCO 方法从当前函数的堆栈帧中调用新函数。它避免了深度递归调用导致的堆栈溢出问题，提高了应用程序性能。

示例 2

让我们举一个例子来说明 C 语言中尾调用优化的使用。

输出

40320

说明

编译器可以通过将旧的 num 值乘以旧的 stores 值并将结果写回 stores 变量来立即覆盖当前帧。之后，编译器可以通过覆盖旧值并继续到 factorial 函数的开头来减少 number。重要的是，我们确保函数调用是必须完成的前面代码中的最后一步，而不是乘法运算。

TCO 的优点

TCO 有几个优点。TCO 的一些主要优点如下：

• TCO 提高了 C 语言的内存效率：TCO 减少了递归期间因过度创建堆栈帧而导致的内存成本，消除了堆栈溢出问题。
• 提高速度：通过重用堆栈帧，TCO 减少了函数调用开销，并可能有助于提高递归函数的整体速度。
• 优化资源利用：它能够更有效地利用系统资源，特别是在频繁使用递归算法的情况下。

限制和约束

TCO 有几个限制。TCO 的一些主要限制如下：

• 编译器差异：虽然某些编译器支持 TCO 优化，但并非所有 C 编译器都普遍支持。因此，它在其他编程环境中的可移植性和可靠性有待提高。
• 复杂性和可读性：创建 TCO 函数通常需要重新组织代码，从而降低可读性并增加复杂性。
• 功能要求：并非所有递归函数都易于进行 TCO 调整。收集器和中间过程可能不适合尾调用优化结构。