关于ES6尾调用优化

时间: 2020-09-07阅读: 856标签: 优化

ES6包含了一个性能领域的特殊要求。这与一个涉及函数调用的特定优化形式相关:即尾调用优化(Tail Call Optimization,TCO)。简单地说,尾调用就是一个出现在另一个函数“结尾”处的函数调用。这个调用结束之后就没有其余事情要做了(除了可能要返回结果值)


什么尾调用

举个例子,下面是一个非递归的尾调用:

function foo(x) {
  return x
}

// 尾调用
function bar(y) {
  return foo(y + 1)
}

// 非尾调用
function baz() {
  return 1 + bar(40)
}

baz()   // 输出42

说明:foo(y+1) 是 bar(...) 中的尾调用,因为在 foo(...) 完成后,bar(...)也完成了,并且只需要返回 foo(...)调用的结果。然而,bar(40) 不是尾调用,因为在它完成后,它的结果需要加上1才能由 baz() 返回。

JavaScript里,调用一个新的函数需要额外的一块预留内容来管理调用栈,成为栈帧。所以前面的代码一般会同时需要为每个 baz() 、bar(...)、foo(...) 保留一个栈帧。

然而,如果支持TCO的引擎能够意识到foo(y+1) 调用位于尾部,这意味着 bar(...) 基本上已经完成了,那么在调用foo(...)时,它就不需要创建一个新的帧栈,而是可以重用已有的 bar(...) 的帧栈。这样不仅速度快,而且节省内存。


什么是尾递归

在计算机科学里,尾调用是指一个函数里的最后一个动作是一个函数调用的情形:即这个调用的返回值直接被当前函数返回的情形。这种情形下称该调用位置为尾位置。若这个函数在尾位置调用本身(或是一个尾调用本身的其他函数等等),则称这种情况为尾递归,是递归的一种特殊情形。尾调用不一定是递归调用,但是尾递归特别有用,也比较容易实现。


TCO的意义

在程序运行时,计算机会为应用程序分配一定的内存空间;应用程序则会自行分配所获得的内存空间,其中一部分被用于记录程序中正在调用的各个函数的运行情况,这就是函数的调用栈。常规的函数调用总是会在调用栈最上层添加一个新的堆栈帧(stack frame,也翻译为“栈帧”或简称为“帧”),这个过程被称作“入栈”或“压栈”(意即把新的帧压在栈顶)。当函数的调用层数非常多时,调用栈会消耗不少内存,甚至会撑爆内存空间(栈溢出),造成程序严重卡顿或意外崩溃。尾调用的调用栈则特别易于优化,从而可减少内存空间的使用,也能提高运行速度。其中,对尾递归情形的优化效果最为明显,尤其是递归算法非常复杂的情形。

在简单的代码片段中,这类优化算不了什么,但是在处理递归时,这就解决了大问题,特别是如果递归可能会导致成千上百个栈帧的时候。有了TCO,引擎可以用同一个栈帧执行所有的这类调用!

递归是 JavaScript 中一个纷繁复杂的主题。因为如果没有TCO的话,引擎需要实现一个随意的限制来界定递归栈的深度,达到了就得停止,以防止内存耗尽。有了TCO,尾调用的递归函数本质上就可以任意运行,因为再也不需要使用额外的内存,也没有了内存溢出的问题。

下面用尾递归实现一个典型的阶乘函数:

// 用循环实现
function factorial(n) {
  if (n<2) return 1

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

// 用尾递归实现
function factorial(n) {
  function fact(n, res) {
    if (n < 2) return res 
    return fact(n-1, n*res)
  }
  return fact(n, 1)
}

factorial(5)   // 输出120
注意:TCO只用于有实际的尾调用的情况,如果你写了一个没有尾递调用的函数,那么性能还是会回到普通帧栈分配的情形,引擎对这样的递归调用栈的限制也仍然有效。


总结

一般来说,尾调用消除是可选的,可以用,也可以不用。然而,在函数编程语言中,语言标准通常会要求编译器或运行平台实现尾调用消除。这让程序员可以用递归取代循环而不丧失性能。ES6之所以要求引擎实现TCO而不是将其留给引擎自由决定,一个原因是缺乏TCO会导致一些JavaScript算法因为害怕调用栈限制而降低了通过递归实现的概率。

如果在所有的情况下引擎缺乏TCO只是降低了性能,那它就不会成为ES6所要求的东西。但是,由于缺乏TCO确实可以使一些程序变得无法实现,所以它就成为了一个重要的语言特性而不是隐藏的实现细节。ES6确保了JavaScript开发者从现在开始可以在所有符合ES6+的浏览器中依赖这个优化。这对JavaScript性能来说是一个胜利。


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