Python中的栈溢出及解决办法
1.递归函数
在函数内部,可以调用其他函数。如果一个函数在内部调用自身本身,这个函数就是递归函数。
举个例子,我们来计算阶乘n! = 1 x 2 x 3 x ... x n
,用函数fact(n)
表示,可以看出:
fact(n) = n! = 1 x 2 x 3 x ... x (n-1) x n = (n-1)! x n = fact(n-1) x n
所以,fact(n)
可以表示为n x fact(n-1)
,只有n=1时需要特殊处理。
于是,fact(n)
用递归的方式写出来就是:
- def fact(n):
- if n==1:
- return 1
- return n * fact(n - 1)
上面就是一个递归函数。可以试试:
- >>> fact(1)
- 1
- >>> fact(5)
- 120
- >>> fact(100)
- 93326215443944152681699238856266700490715968264381621468592963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000L
如果我们计算fact(5)
,可以根据函数定义看到计算过程如下:
- ===> fact(5)
- ===> 5 * fact(4)
- ===> 5 * (4 * fact(3))
- ===> 5 * (4 * (3 * fact(2)))
- ===> 5 * (4 * (3 * (2 * fact(1))))
- ===> 5 * (4 * (3 * (2 * 1)))
- ===> 5 * (4 * (3 * 2))
- ===> 5 * (4 * 6)
- ===> 5 * 24
- ===> 120
递归函数的优点是定义简单,逻辑清晰。理论上,所有的递归函数都可以写成循环的方式,但循环的逻辑不如递归清晰。
使用递归函数需要注意防止栈溢出。
2.栈溢出
在计算机中,函数调用是通过栈(stack)这种数据结构实现的,每当进入一个函数调用,栈就会加一层栈帧,每当函数返回,栈就会减一层栈帧。由于栈的大小不是无限的,所以,递归调用的次数过多,会导致栈溢出。可以试试fact(1000)
:
- >>> fact(1000)
- Traceback (most recent call last):
- File "<stdin>", line 1, in <module>
- File "<stdin>", line 4, in fact
- ...
- File "<stdin>", line 4, in fact
- RuntimeError: maximum recursion depth exceeded
尾递归
解决递归调用栈溢出的方法是通过尾递归优化,事实上尾递归和循环的效果是一样的,所以,把循环看成是一种特殊的尾递归函数也是可以的。
尾递归是指,在函数返回的时候,调用自身本身,并且,return语句不能包含表达式。这样,编译器或者解释器就可以把尾递归做优化,使递归本身无论调用多少次,都只占用一个栈帧,不会出现栈溢出的情况。
上面的fact(n)
函数由于return n * fact(n - 1)
引入了乘法表达式,所以就不是尾递归了。要改成尾递归方式,需要多一点代码,主要是要把每一步的乘积传入到递归函数中:
- def fact(n):
- return fact_iter(1, 1, n)
- def fact_iter(product, count, max):
- if count > max:
- return product
- return fact_iter(product * count, count + 1, max)
可以看到,return fact_iter(product * count, count + 1, max)
仅返回递归函数本身,product * count
和count + 1
在函数调用前就会被计算,不影响函数调用。
fact(5)
对应的fact_iter(1, 1, 5)
的调用如下:
- ===> fact_iter(1, 1, 5)
- ===> fact_iter(1, 2, 5)
- ===> fact_iter(2, 3, 5)
- ===> fact_iter(6, 4, 5)
- ===> fact_iter(24, 5, 5)
- ===> fact_iter(120, 6, 5)
- ===> 120
尾递归调用时,如果做了优化,栈不会增长,因此,无论多少次调用也不会导致栈溢出。
遗憾的是,大多数编程语言没有针对尾递归做优化,Python解释器也没有做优化,所以,即使把上面的fact(n)
函数改成尾递归方式,也会导致栈溢出。
优化尾递归的装饰器
有一个针对尾递归优化的decorator,可以参考源码:
- #!/usr/bin/env python2.4
- # This program shows off a python decorator(
- # which implements tail call optimization. It
- # does this by throwing an exception if it is
- # it's own grandparent, and catching such
- # exceptions to recall the stack.
- import sys
- class TailRecurseException:
- def __init__(self, args, kwargs):
- self.args = args
- self.kwargs = kwargs
- def tail_call_optimized(g):
- """
- This function decorates a function with tail call
- optimization. It does this by throwing an exception
- if it is it's own grandparent, and catching such
- exceptions to fake the tail call optimization.
- This function fails if the decorated
- function recurses in a non-tail context.
- """
- def func(*args, **kwargs):
- f = sys._getframe()
- if f.f_back and f.f_back.f_back \
- and f.f_back.f_back.f_code == f.f_code:
- raise TailRecurseException(args, kwargs)
- else:
- while 1:
- try:
- return g(*args, **kwargs)
- except TailRecurseException, e:
- args = e.args
- kwargs = e.kwargs
- func.__doc__ = g.__doc__
- return func
- @tail_call_optimized
- def factorial(n, acc=1):
- "calculate a factorial"
- if n == 0:
- return acc
- return factorial(n-1, n*acc)
- print factorial(10000)
- # prints a big, big number,
- # but doesn't hit the recursion limit.
- @tail_call_optimized
- def fib(i, current = 0, next = 1):
- if i == 0:
- return current
- else:
- return fib(i - 1, next, current + next)
- print fib(10000)
- # also prints a big number,
- # but doesn't hit the recursion limit.
现在,只需要使用这个@tail_call_optimized
,就可以顺利计算出fact(1000)
:
- >>> fact(1000)
- 4023872600770937735437024339230039857193748642107146325437999104299385123986290205920442084869694048
0047998861019719605863166687299480855890132382966994459099742450408707375991882362772718873251977950
5950995276120874975462497043601418278094646496291056393887437886487337119181045825783647849977012476
6328898359557354325131853239584630755574091142624174743493475534286465766116677973966688202912073791
4385371958824980812686783837455973174613608537953452422158659320192809087829730843139284440328123155
8611036976801357304216168747609675871348312025478589320767169132448426236131412508780208000261683151
0273418279777047846358681701643650241536913982812648102130927612448963599287051149649754199093422215
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3408198901385442487984959953319101723355556602139450399736280750137837615307127761926849034352625200
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7738753823048386568897646192738381490014076731044664025989949022222176590433990188601856652648506179
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0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
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