在Common Lisp中使用宏优化尾递归函数

尾递归函数

通俗地讲，递归函数就是指这个函数的定义当中调用了对自己。如果一个递归函数在调用了自己后就返回，这样便是尾递归。

例如，一个计算列表的长度的递归函数的定义可能是这样的

(defun my-length (lst)
  (if (null lst)
      0
      (+ 1 (my-length (cdr lst)))))

而一个使用欧几里得算法计算最大公约数的递归函数，可能是这样的

(defun my-gcd (a b)
  (if (zerop (mod a b))
      b
      (my-gcd b (mod a b))))

在my-gcd中调用了自己后就返回了，那么它便是一个尾递归的函数。

尾递归函数的优势之一，是它们可以被优化成类似循环的代码。这样可以避免普通的递归函数执行过程中，递归深度过大造成的栈溢出。下面先演示一遍手动优化的办法，再给出一个宏辅助这一优化的过程。

手动优化尾递归函数的方法

一种机械化的优化尾递归的办法是使用“赋值”和“跳转”来改写函数定义。以上面的my-gcd函数为例，将b和(mod a b)传递给my-gcd函数，相当于是：

1. 将b和(mod a b)“同时”赋值给参数a和b
2. 将函数的执行流程跳回最开始的位置重新执行

按照这个方法，可以把my-gcd改写成下面的样子

(defun my-gcd-tco (a b)
  (tagbody
   begin
     (if (zerop (mod a b))
         (return-from my-gcd-tco b)
         (progn
           (psetf a b
                  b (mod a b))
           (go begin)))))

使用Common Lisp内建的psetf，可以轻松实现将b和(mod a b)“同时”赋值给a和b。

不幸的是，由于if嵌在了tagbody内，所以必须使用return-from主动从my-gcd中返回最终的计算结果。

通过宏简化上述优化的过程

宏可以帮助我们简化上面的手动优化过程。关键的一点，是要将尾递归的函数调用替换为progn，其中含有psetf和go——听起来也是宏做的事情。所以，我们写出的宏展开后包含一个“子”宏，这个子宏与尾递归函数的同名，它将展开为所需要的progn——macrolet可以实现这个需求。这个辅助优化的宏定义如下

(defmacro define-rec (name lambda-list &body body)
  (let ((rec (gensym)))
    `(defun ,name ,lambda-list
       (tagbody
          ,rec
          (macrolet ((,name (&rest exprs)
                       ,``(progn
                            (psetf ,@(mapcan #'list ',lambda-list exprs))
                            (go ,',rec))))
            ,@body)))))

采用这个宏定义的my-gcd函数如下

(define-rec my-gcd (a b)
  (if (zerop (mod a b))
      (return-from my-gcd b)
      (my-gcd b (mod a b))))

用macroexpand-1或SLIME提供的slime-expand-1命令展开上述代码可以得到如下结果

(DEFUN MY-GCD-TCO (A B)
  (TAGBODY
   #:G675
    (MACROLET ((MY-GCD-TCO (&REST EXPRS)
                 `(PROGN (PSETF ,@(MAPCAN #'LIST '(A B) EXPRS)) (GO ,'#:G675))))
      (IF (ZEROP (MOD A B))
          (RETURN-FROM MY-GCD-TCO B)
          (MY-GCD-TCO B (MOD A B))))))

与手动优化的结果可说是相差无几了

后记

这是开设专栏后写的第一篇文章，但其实最早是在GitHub上写的。今年想尝试一些新东西，SegmentFault也正是一个面向程序员的社区，所以就选择了这里。希望自己可以在这里坚持写作，得到切实的成长并记录下来。