数据结构与算法解析 -- “递归”篇

2020-6-16
- 十步杀一人，千里不留行。事了拂衣去，深藏身与名。
  李白 – 《侠客行》

一、概述

递归，在数学与计算机科学中，是指在函数的定义中使用函数自身的方法。也就是说，递归算法是一种直接或者间接调用自身函数或者方法的算法。
递归是一种应用非常广泛的算法（或者编程技巧）。很多数据结构和算法的编码实现都要用到递归，比如 DFS 深度优先搜索、前中后序二叉树遍历等等。

去的过程叫“递”，回来的过程叫“归”。基本上，所有的递归问题都可以用递推公式来表示。
诸如

f(n)=f(n-1)+1 其中，f(1)=1

用代码表示为

int f(int n) {if (n == 1) return 1;return f(n-1) + 1;
}

二、递归满足的三个条件

那究竟什么样的问题可以用递归来解决呢？
只要同时满足以下三个条件，就可以用递归来解决。

1、一个问题的解可以分解为几个子问题的解
何为子问题？子问题就是数据规模更小的问题。
2、这个问题与分解之后的子问题，除了数据规模不同，求解思路完全一样。
3、存在递归终止条件
把问题分解为子问题，把子问题再分解为子子问题，一层一层分解下去，不能存在无限循环，这就需要有终止条件。

三、如何编写递归代码

重点！！！：写递归代码最关键的是写出递推公式，找到终止条件，剩下将递推公式转化为代码就很简单了。

来个例子

假如这里有 n 个台阶，每次你可以跨 1 个台阶或者 2 个台阶，请问走这 n 个台阶有多少种走法？
可以根据第一步的走法把所有走法分为两类，第一类是第一步走了 1 个台阶，另一类是第一步走了 2 个台阶。所以 n 个台阶的走法就等于先走 1 阶后，n-1 个台阶的走法加上先走 2 阶后，n-2 个台阶的走法。用公式表示就是：
f(n) = f(n-1)+f(n-2)
有了递推公式，递归代码基本上就完成了一半。我们再来看下终止条件。当有一个台阶时，我们不需要再继续递归，就只有一种走法。所以 f(1)=1。这个递归终止条件足够吗？我们可以用 n=2，n=3 这样比较小的数试验一下。
n=2 时，f(2)=f(1)+f(0)。如果递归终止条件只有一个 f(1)=1，那 f(2) 就无法求解了。所以除了 f(1)=1 这一个递归终止条件外，还要有 f(0)=1，表示走 0 个台阶有一种走法，不过这样子看起来就不符合正常的逻辑思维了。所以，我们可以把 f(2)=2 作为一种终止条件，表示走 2 个台阶，有两种走法，一步走完或者分两步来走。
所以，递归终止条件就是 f(1)=1，f(2)=2。这个时候，你可以再拿 n=3，n=4 来验证一下，这个终止条件是否足够并且正确。
我们把递归终止条件和刚刚得到的递推公式放到一起就是这样的：
f(1) = 1;
f(2) = 2;
f(n) = f(n-1)+f(n-2);
有了这个公式，我们转化成递归代码就简单多了。最终的递归代码是这样的：
int f(int n) {
if (n == 1) return 1;
if (n == 2) return 2;
return f(n-1) + f(n-2);
}

写递归代码的关键就是找到如何将大问题分解为小问题的规律，并且基于此写出递推公式，然后再推敲终止条件，最后将递推公式和终止条件翻译成代码。

递归比较难的地方是，当递归调用只有一个分支，也就是说“一个问题只需要分解为一个子问题”，我们很容易能够想清楚“递“和”归”的每一个步骤，所以写起来、理解起来都不难。
但是，当我们面对的是一个问题要分解为多个子问题的情况，递归代码就没那么好理解了。
对于分解成多个子问题的情况，人脑几乎没办法把整个“递”和“归”的过程一步一步都想清楚。

计算机擅长做重复的事情，所以递归正和它的胃口。而我们人脑更喜欢平铺直叙的思维方式。当我们看到递归时，我们总想把递归平铺展开，脑子里就会循环，一层一层往下调，然后再一层一层返回，试图想搞清楚计算机每一步都是怎么执行的，这样就很容易被绕进去。

对于递归代码，这种试图想清楚整个递和归过程的做法，实际上是进入了一个思维误区。很多时候，我们理解起来比较吃力，主要原因就是自己给自己制造了这种理解障碍。

那正确的思维方式应该是怎样的呢？
如果一个问题 A 可以分解为若干子问题 B、C、D，你可以假设子问题 B、C、D 已经解决，在此基础上思考如何解决问题 A。而且，你只需要思考问题 A 与子问题 B、C、D 两层之间的关系即可，不需要一层一层往下思考子问题与子子问题，子子问题与子子子问题之间的关系。屏蔽掉递归细节，这样子理解起来就简单多了。
因此，编写递归代码的关键是，只要遇到递归，我们就把它抽象成一个递推公式，不用想一层层的调用关系，不要试图用人脑去分解递归的每个步骤。

四、使用递归的注意事项

递归代码要警惕堆栈溢出
在实际的软件开发中，编写递归代码时，我们会遇到很多问题，比如堆栈溢出。而堆栈溢出会造成系统性崩溃，后果会非常严重。为什么递归代码容易造成堆栈溢出呢？我们又该如何预防堆栈溢出呢？

函数调用会使用栈来保存临时变量。每调用一个函数，都会将临时变量封装为栈帧压入内存栈，等函数执行完成返回时，才出栈。系统栈或者虚拟机栈空间一般都不大。如果递归求解的数据规模很大，调用层次很深，一直压入栈，就会有堆栈溢出的风险。

如何避免出现堆栈溢出呢？
- 限制递归调用的最大深度
  递归调用超过一定深度（比如 1000）之后，我们就不继续往下再递归了，直接返回报错。
  但这种做法并不能完全解决问题，因为最大允许的递归深度跟当前线程剩余的栈空间大小有关，事先无法计算。如果实时计算，代码过于复杂，就会影响代码的可读性。所以，如果最大深度比较小，比如 10、50，就可以用这种方法，否则这种方法并不是很实用。

递归代码要警惕重复计算
使用递归时还会出现重复计算的问题。对于上文中的那个爬楼梯的例子，如果我们把整个递归过程分解一下的话，那就是这样的：

从图中，我们可以直观地看到，想要计算 f(5)，需要先计算 f(4) 和 f(3)，而计算 f(4) 还需要计算 f(3)，因此，f(3) 就被计算了很多次，这就是重复计算问题。
为了避免重复计算，我们可以通过一个数据结构（比如散列表）来保存已经求解过的 f(k)。当递归调用到 f(k) 时，先看下是否已经求解过了。如果是，则直接从散列表中取值返回，不需要重复计算，这样就能避免刚讲的问题了。
- 时间、空间效率低
  在时间效率上，递归代码里多了很多函数调用，当这些函数调用的数量较大时，就会积聚成一个可观的时间成本。在空间复杂度上，因为递归调用一次就会在内存栈中保存一次现场数据，所以在分析递归代码空间复杂度时，需要额外考虑这部分的开销。

五、将递归代码转换成非递归代码

递归有利有弊，利是递归代码的表达力很强，写起来非常简洁；而弊就是空间复杂度高、有堆栈溢出的风险、存在重复计算、过多的函数调用会耗时较多等问题。所以，在开发过程中，我们要根据实际情况来选择是否需要用递归的方式来实现。

一般来说：递归代码一般可以使用，迭代循环的非递归写法
爬楼梯在不使用递归的代码如下|：

nt f(int n) {if (n == 1) return 1;if (n == 2) return 2;int ret = 0;int pre = 2;int prepre = 1;for (int i = 3; i <= n; ++i) {ret = pre + prepre;prepre = pre;pre = ret;}return ret;
}

六、参考资料

王争 – 《极客时间|数据结构与算法之美》