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2018 iT 邦幫忙鐵人賽
DAY 27
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本系列文章,內容以探討 Kyle Simpson. Functional-Light JavaScript 一書內容為主

  • 目標:是讀懂 FP,能用 code 與人交流,而不是被壓在 FP 的術語大山下喘不過氣。
  • 提醒:本文中各種的 FP 小工具,僅為邏輯演示,實際上並不適合在 production 中使用,建議使用 FP library。
  • 原文地址:Functional-Light JavaScript

STACK OVERFLOW!

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相信各位開發時一定會遇過這種 Error,這是什麼意思呢?

每一次 call function 都會劃一塊 stack frame 放在 Memory,如上圖黃綠色格子的樣子,每一塊都內含函數的資訊,當函數執行到一半,呼叫第二個時,就往上疊一個,如果又呼叫第三個,再往上疊一個...以此類推。

stack 的消耗是由上到下,就像書堆是從上面開始拿,如果剛剛是 func1 -> func2 -> func3 目前 stack 就會疊三格,然後當 func3 執行完,stack pop掉一格剩兩格,引擎接著會看 func2 stack frame 裡面的紀錄,到暫停的地方繼續執行。

上圖中的函數:

function foo () {
    return foo()
}

foo()

當引擎預測如果這個程序繼續運行,記憶體會被耗盡,所以引擎拋出 RangeError 的錯誤,是為了保護系統。

不同的引擎、不同的設備有不同的限制,所以無法保證 call stack 最大的大小,這些限制使得開發者必須注意遞迴的效能。

Tail Calls 尾調用

為了避免 stack overflow,有一個很有用的技巧叫做 Tail Call

Tail Call 的概念只要一句話:一個函數的在最後一步是 call 另外一個函數。

func1 -> func2 -> func3 為例,當 call func2 的動作在 func1 的對底部執行,那 func1 的 stack frame 就不需要了,也叫表示記憶體可以釋出(因為 func1 做完了),以此類推:

如果 Tail Call 自己,又稱為 tail-recursive 尾遞迴,這時候只會存在一個 stack frame,所以理論上遞迴 stack 可以一直運算下去。

Tail Call Optimizations (TCO) 尾調用優化

TCO 是使得 Tail Call 更高效運行的優化,要做到 TCO,必須正確書寫 Tail Call。在 ES6 問世之後,對 Tail Call 有了明確的規範,只要在 ES6 中,正確使用 Tail Call 就不會有 RangeError 的異常。

正確書寫 Tail Call 的技巧稱作 PTC (Proper Tail Calls,正確的尾調用)。

首先,必須要開啟嚴格模式 "use strict",並在函數最後一步 call 下一個 function,並且 return 下一個 function 的 return 值。

好吧!看例子最清楚:

不正確 PTC

function factorial (n) {
    if (n === 0) {
        return 1
    }
    return n * factorial(n - 1)
}

此非 PTC,因為 factorial(n - 1) 執行後,n * 才會執行,記憶體最多需要保存 n 個 stack frame,複雜度 O(n)

正確 PTC

"use strict";
function factorial(n, partialFactorial = 1) {
  if (n === 0) {
      return partialFactorial
  }
  return factorial(n - 1, n * partialFactorial);
}

factorial(5) // 120

正確的 PTC 形式,使用 "use strict",同時記憶體只需要保存一個 stack frame,複雜度 O(1)

補充: PTC:

// e.g 1
foo( .. );
return;

// e.g.2
var x = foo( .. )
return x

// e.g.3
return 1 + foo( .. );

結論

一個問題解法通常有遞迴和迭代兩種解法,遞迴的精神是將問題拆成小問題,最後再將結果一層層返回;迭代則是一步一步往結果收斂。沒有一定哪個好,要依問題的本質而定。

如果想使用遞迴,卻又超出了 JS 引擎的 memory stack,就需要重構,使能夠符合 PTC 規範。也就是說當做到 PTC 時,程式無須儲存之前 call stack frame 的值,直接在最後一次遞迴中輸出函数運算结果,這樣就大大節省了 Memory,這就是所謂的 TCO 尾調用優化,這種優化邏輯就是在程式碼執行的時候將其轉換迭代的形式(ES6 嚴格模式才有支援)。

可讀性强的程式,才是我们的目標,如果使用遞迴反而會造成程式難以閱讀/理解,那就不要刻意用,試試別的方法吧。

參考資料

^1: ECMAScript 6 Proper Tail Calls in WebKit

^2: 尾调用优化


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