Отдельно остановимся на рекурсивных функциях. Рекурсивная функция представляет такую конструкцию, при которой функция вызывает саму себя.
Возьмем, к примеру, вычисление факториала, которое использует формулу n! = 1 * 2 * … * n. То есть по сути для нахождения факториала
числа мы перемножаем все числа до этого числа. Например, факториал числа 4 равен 24 = 1 * 2 * 3 * 4
, а факторил числа 5 равен 120 = 1 * 2 * 3 * 4 * 5
.
Определим метод для нахождения факториала:
int factorial(int n) { if (n == 1) { return 1; } return n * factorial(n - 1); }
При создании рекурсивной функции в ней обязательно должен быть некоторый базовый вариант, с которого начинается вычисление функции. В случае с факториалом это факториал числа 1, который равен 1. Факториалы всех остальных положительных чисел будет начинаться с вычисления факториала числа 1, который равен 1.
На уровне языка программирования для возвращения базового варианта применяется оператор return:
if (n == 1) return 1;
То есть, если вводимое число равно 1, то возвращается 1
Другая особенность рекурсивных функций: все рекурсивные вызовы должны обращаться к подфункциям, которые в конце концов сходятся к базовому варианту:
return n * factorial(n - 1);
Так, при передаче в функцию числа, которое не равно 1, при дальнейших рекурсивных вызовах подфункций в них будет передаваться каждый раз число, меньшее на единицу. И в конце концов мы дойдем до ситуации, когда число будет равно 1, и будет использован базовый вариант. Это так называемый рекурсивный спуск.
Используем эту функцию:
#include <stdio.h> int factorial(int n) { if (n == 1) { return 1; } return n * factorial(n - 1); } int main(void) { int factorial4 = factorial(4); // 24 int factorial5 = factorial(5); // 120 int factorial6 = factorial(6); // 720 printf("factorial of 4: %d \n", factorial4); printf("factorial of 5: %d \n", factorial5); printf("factorial of 6: %d \n", factorial6); return 0; }
Консольный вывод:
factorial of 4: 24 factorial of 5: 120 factorial of 6: 720
Рассмотрим поэтапно, что будет в случае вызова factorial(4).
Сначала идет проверка, равно ли число единице:
if (n == 1) return 1;
Но вначале n
равно 4, поэтому это условие ложно, и соответственно выполняется код
return n * factorial(n - 1);
То есть фактически мы имеем:
return 4 * factorial(3);
Далее выполняется выражение:
factorial(3)
Опять же n
не равно 1, поэтому выполняется код
return n * factorial(n - 1);
То есть фактически:
return 3 * factorial(2);
Далее выполняется выражение:
factorial(2)
Опять же n
не равно 1, поэтому выполняется код
return n * factorial(n - 1);
То есть фактически:
return 2 * factorial(1);
Далее выполняется выражение:
factorial(1)
Теперь n
равно 1, поэтому выполняется код
if (n == 1) return 1;
И возвращается 1.
В итоге выражение
factorial(4)
В реальности выливается в
4 * 3 * 2 * factorial(1)
Другим распространенным показательным примером рекурсивной функции служит функция, вычисляющая числа Фибоначчи. n-й член последовательности Фибоначчи определяется по формуле: f(n)=f(n-1) + f(n-2), причем f(0)=0, а f(1)=1. То есть последовательность Фибоначчи будет выглядеть так 0 (0-й член), 1 (1-й член), 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, .... Для определения чисел этой последовательности определим следующий метод:
#include <stdio.h> int fibonachi(int n) { if (n == 0 || n == 1) return n; return fibonachi(n - 1) + fibonachi(n - 2); } int main(void) { int fib4 = fibonachi(4); int fib5 = fibonachi(5); int fib6 = fibonachi(6); printf("4 Fibonachi number: %d \n", fib4); printf("5 Fibonachi number: %d \n", fib5); printf("6 Fibonachi number: %d \n", fib6); return 0; }
Здесь базовый вариант выглядит следующий образом:
if (n == 0 || n == 1) return n;
То есть, если мы ищем нулевой или первый элемент последовательности, то возвращается это же число - 0 или 1. Иначе возвращается
результат выражения fibonachi(n - 1) + fibonachi(n - 2);
Это простейшие пример рекурсивных функций, которые призваны дать понимание работы рекурсии. В то же время для обоих функций вместо рекурсий можно использовать циклические конструкции. И, как правило, альтернативы на основе циклов работают быстрее и более эффективны, чем рекурсия. Например, вычисление чисел Фибоначчи с помощью циклов:
int fibonachi2(int n) { int result = 0; int b = 1; int tmp; for (int i = 0; i < n; i++) { tmp = result; result = b; b += tmp; } return result; }
В то же время в некоторых ситуациях рекурсия предоставляет элегантное решение, например, при обходе различных древовидных представлений, к примеру, дерева каталогов и файлов.