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探索c#之遞歸APS和CPS

編輯:關於ASP.NET

       累加器傳遞模式(Accumulator passing style)

      尾遞歸優化在於使堆棧可以不用保存上一次的返回地址/狀態值,從而把遞歸函數當成一個普通的函數調用。

      遞歸實際上是依賴上次的值,去求下次的值。 如果我們能把上次的值保存起來,在下次調用時傳入,而不直接引用函數返回的值。 從而使堆棧釋放,也就達到了尾遞歸優化的目的。

      下面我們增加了一個acc的參數,它存儲上次的值,在下次調用時傳入。

      static int Accumulate(int acc, int n)

      {

      if (n == 0)

      return acc;

      return accumulate(acc * n, n - 1);

      }

      使用時Accumulate遞歸時,我們僅需要使用最後一次的返回值即可。 調用如下:

      var ac = Accumulate(1, 20);

      使用Lambda表達式實現尾遞歸階乘:

      static int AccumulateByLambda(int x)

      {

      Func accumulate = null;

      accumulate = (acc, n) => n == 0 ? acc : Accumulate(acc * n, n - 1);

      return accumulate(1, x);

      }

      CPS函數

      CPS全稱Continuation passing style,中文一般譯為後繼傳遞模式。

      static int Times3(int x)

      {

      return x * 3;

      }

      Console.WriteLine(Times3(5));

      上面函數將輸入值乘以3,我們平常基本上都會這樣寫。 其實我們還可以用返回函數的C#語法,構造嵌套方式,把函數的調用變成調用鏈times3(3)(5)。

      這種方式在數學上或函數式編程中是比較直觀的,正常的,但在指令式語言c#中卻不是那麼直觀。

      CPS中的後繼(Continuation)一詞指的是計算的剩余部分,類似times3(3)(5)紅色這部分。

      例如:表達式a*(b+c)的運算過程有多個計算步驟。可以c#寫成下面函數來表示:

      Console.WriteLine(Mult(a,Add(b,c)))

      操作步驟如下:

      b與c相加。

      將結果乘以a。

      輸出結果。

      執行1步時,後續操作是2,3。執行2步時,後續操作是3。 使用CPS模式來改造下times3函數:

      static void Times3CPS(int x, Action continuation)

      {

      continuation(x * 3);

      }

      Times3CPS(5, (reslut) => Console.WriteLine(result));

      我們增加了一個表示後繼操作3的函數參數,調用時傳遞後續操作,這就是CPS函數。

      CPS變換

      知道了CPS函數後,再詳細看下CPS變換。

      Console.WriteLine(Times3(5));

      //CPS變換

      Times3CPS(5, (reslut) => Console.WriteLine(result));

      上面times3函數從直接調,到使用"後繼傳遞操作"的過程就叫做CPS轉換。

      例如1:MAX函數的轉換

      static int Max(int n, int m)

      {

      if (n > m)

      return n;

      else

      return m;

      }

      Console.WriteLine(Max(3, 4));

      我們把這max函數轉換成CPS模式,需要下列步驟:

      1:返回值修改成void

      2:添加一個額外的類型參數 Action,T是原始返回類型。

      3:使用後續操作表達式參數替代原來所有返回聲明。

      static void Max(int n, int m, Action k)

      {

      if (n > m)

      k(n);

      else

      k(m);

      }

      Max(3, 4, x => Console.WriteLine(x));

      例如2:假如有3個函數Main、F、G,Main調用F、F調用G。

      Console.WriteLine(F(1) + 1);

      static int F(int n)

      {

      return G(n + 1) + 1;

      }

      static int G(int n)

      {

      return n + 1;

      }

      我們把F和G轉換成CPS風格,和Max函數同樣的轉換步驟:

      F(1, x => Console.WriteLine(x + 1));

      static void F(int n, Action k)

      {

      G(n + 1, x => k(x + 1));

      }

      static void G(int n, Action k)

      {

      k(n + 1);

      }

      CPS尾遞歸

      這是傳統的遞歸階乘:

      static int Factorial(int n)

      {

      if (n == 0)

      return 1;

      else

      return n * Factorial(n - 1);

      }

      使用同樣的步驟,把遞歸轉換成CPS尾遞歸:

      Factorial(5, x => Console.WriteLine(x));

      static void Factorial(int n, Action continuation)

      {

      if (n == 0)

      continuation(1);

      else

      Factorial(n - 1, x => continuation(n * x));

      }

      老趙-尾遞歸與Continuation

      “計算n的階乘,並將結果傳入continuation方法並返回”,也就是“計算n - 1的階乘,並將結果與n相乘,再調用continuation方法”。為了實現“並將結果與n相乘,再調用continuation方法”這個邏輯,代碼又構造了一個匿名方法,再次傳入Factorial方法。

      總結

      CPS模式是非常強大的,在很多方面都有使用,比如在編譯器實現中CPS風格的解析器組合子、函數完成後回調。也可以說是把程序內部原本的控制操作,用CPS方法抽取出來暴露給程序員,例如文中的例子。

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