应届生必考的斐波那契数列 优化版本

  • 开题引入斐波那契
    • 代码演示: 递归、循环
  • 递归 vs 循环
    • 时间复杂复高,指数型O(2^n); 推导过程
    • 占用线程堆栈, 可能导致栈满异常
  • 压测演示
  • 20230816补充尾递归

斐波那契数列

打入门软件开发,斐波那契数列便是绕不过去的简单编程算法。

一个老生常谈的思路是递归,另外是循环,今天借此机会回顾并演示时间复杂度在编程中的重要性。

斐波那契 递归算法 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55

常规递归

递归算法的应用场景是:

  • 将大规模问题,拆解成几个小规模的同样问题
  • 拆解具备终止场景
func Fibonacci(n int) (r int) {
	if n == 1 || n == 2 {
		r = 1
		return
	} else {
		return Fibonacci(n-1) + Fibonacci(n-2)
	}
}

循环

为什么能想到循环, 斐波那契数组也有循环的含义:
第n个数字是循环指针i从第1个数字移动到第n-2个数字时, 第n-2个数字pre+第n-1个数字next的和。

func Fibonacci2(n int) (r int) {
   if n==1 || n==2  {
     return 1
   }
   pre,next int :=1,1
   for i:=0; i<=n-1-2; i++ {
       tmp:= pre+next
       pre = next
       next = tmp
   }
}

单元测试如下:

func TestFibonacci(t *testing.T) {
	t.Logf("Fibonacci(1) = %d, Fibonacci2(1)= %d ", Fibonacci(1), Fibonacci2(1))
	t.Logf("Fibonacci(3) = %d, Fibonacci2(3)= %d ", Fibonacci(3), Fibonacci2(3))
	t.Logf("Fibonacci(8) = %d, Fibonacci2(8)= %d ", Fibonacci(8), Fibonacci2(8))
}

go test ./ -v
=== RUN   TestFibonacci
    m_test.go:8: Fibonacci(1) = 1, Fibonacci2(1)= 1 
    m_test.go:9: Fibonacci(3) = 2, Fibonacci2(3)= 2 
    m_test.go:10: Fibonacci(8) = 21, Fibonacci2(8)= 21 
--- PASS: TestFibonacci (0.00s)
PASS
ok      example.github.com/test 3.359s

常规递归的问题

(1) 函数调用存在压栈过程,会在线程栈(一般2M)上留下栈帧,斐波那契人递归算法:是函数自己调用自己,在终止条件后栈帧开始收敛,但是在此之前有可能已经撑爆线程栈。

栈帧中维持着函数调用所需要的各种信息,包括函数的入参、函数的局部变量、函数执行完成后下一步要执行的指令地址、寄存器信息等。

https://gitbook.coder.cat/function-call-principle/content/function-stack-frame.html

(2) 斐波那契递归调用存在重复计算,时间复杂度是O(2^n),随着n的增加,需要计算的次数陡然增大(业内称为指数型变化)。

 f(n) = f(n-1)+f(n-2)                 // 1次计算
      = f(n-2)+f(n-3)+f(n-3)+f(n-4)   // 3次计算
      = f(n-3)+f(n-4)+f(n-4)+f(n-5)+f(n-4)+f(n-5)+f(n-5)+f(n-6)                               // 7次计算
      =......
      = f(1)+......                   //  2^n-1次计算
      
 故为斐波那契递归时间复杂度为 O(2^n)     

而我们的循环算法不存在以上问题, 第n个数字需要n -2次计算, 时间复杂度是O(n)

常见时间复杂度变化曲线

有些童鞋可能没意识到指数型的威力,举个例子, 斐波那契递归算法,第20个数字需要2^20次运算; 循环算法只要18次运算。

使用基准测试压测:

func BenchmarkF1(b *testing.B) {
	for i := 1; i < b.N; i++ {
		Fibonacci(20) //  时间复杂度  O(2^n)
	}
}

func BenchmarkF2(b *testing.B) {
	for i := 1; i < b.N; i++ {
		Fibonacci2(20) // 时间复杂度 O(n)
	}
}


go test  -bench=.  -benchmem  ./
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: example.github.com/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
BenchmarkF1-8              55039             20740 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkF2-8           196663548                6.080 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
PASS
ok      example.github.com/test 3.744s

单次执行效率相形见绌,甚至斐波那契递归n=50+ 不一定能计算出来。


ok, that'all 本次快速重温递归算法相比循环的两点劣势,这里面重要的常见时间复杂度变化曲线, 需要程序员必知必会。
https://adrianmejia.com/most-popular-algorithms-time-complexity-every-programmer-should-know-free-online-tutorial-course/

20230816 尾递归

常规递归: 时间复杂度 O(2^n), 而且存在爆栈的可能。
尾递归: 是对常规递归的优化,规避了爆栈的问题, 思路是规避持续压栈,利用编译器优化让整个递归过程只保持一个函数栈。

尾递归的核心表现: 函数运行到最后一步是否是调用自身,而不是在最后一行出现调用自身。

仔细体会:

// 这是常规递归
func  diguiFunc(n int )  (r int) {
     if  n==1 
         return  1
    return  1 + diguiFunc(n-1)     //  递归调用函数自身时, 因为这一行不是直接返回值, 故上级堆栈不会释放,递归全过程会形成不断压栈,在终止时才开始出栈。
}  
/*
   f(4) = 1+ f(3)= 1+1+f(2)= 1+1+1+f(1)= 1+1+1+1 = 4
*/

// 这是尾递归
func  tailFunc(n,pre int)  (r int ) {
     if n==1
        return n
    return  tailFunc(n-1,1+ pre)          // 开始调用此函数时,上级堆栈就会释放,递归全过程只会形成一个堆栈的占用。
}
/*
 f(4,1) = f(3,1+1) = f(2,1+2) = f(1,1+3) =4
*/

故尾递归 能规避爆栈问题, 斐波那契尾递归的写法如下, 时间复杂度是O(n), 跟循环是一样的。

  func Fibonacii_tail(n int, pre int , next int) {
       if  n==1 || n==2   {
            return next
       }
      return Fibonacii_tail(n-1,next, pre+next)
  }

尾递归的实现思路是:
(1)使用递归体现循环,循环中要重复执行的代码体现在 尾递归调用的参数, 用调用自身的结果作为返回值

(2) 尾递归的终止参数是由外部驱动,在外部调用传值

posted @ 2023-08-16 10:31  博客猿马甲哥  阅读(363)  评论(0编辑  收藏  举报