斐波那契数列程序的一些优化

      对于每一位学习编程语言的人来说,斐波那契数列(Fibonacci sequence)都是他们学习之路上的一个经典问题,我们最初编写的程序是这样的:

       用C语言我们可以这样实现:

int fib(int n) {
	if (n <= 0) return -1;
	int fib1 = 1, fib2 = 1, temp = 1;
	for (int i = 3; i <= n; ++i) {
		temp = fib1 + fib2; // 计算第i项
		fib1 = fib2; // 第 i-1 项为下一次计算的第 i-2 项
		fib2 = temp; // 第 i 项为下一次计算的第 i-1 项
	}
	printf("第 %d 个月有 %d 对兔子.\n", n, temp);
	return 0;
}

       之后我们学习了递归(Recursion),于是可以用递归改写:

int fib(int n) {
	if (n == 1 || n == 2) 
		return 1;
	else
		return fib(n - 1) + fib(n - 2);
}
int main() {
	int n;
	scanf("%d", &n);
	while (n <= 0) {
		printf("Please input an positive integer: ");
		scanf("%d", &n);
	} // 保证用户输入的是正整数
	printf("第 %d 个月有 %d 对兔子.", n, fib(n));
	return 0;
}

        同样地,在Python中我们可以这样实现上述的两种方法:

def fib_iteration(n):
    assert n >= 1 # 保证输入的是正整数
    pred, curr = 0, 1
    k = 1
    while k < n:
        pred , curr = curr, pred + curr # 计算新的“前一项”和“当前项”
        k = k + 1
    return curr

def fib_recursive(n):
    assert n >= 1 # 保证输入的是正整数
    if n == 1 or n == 2:
        return 1
    return fib_recursive(n - 1) + fib_recursive(n - 2)

       虽然递归函数的代码量较小,但其实每一次调用递归函数都会重新计算,例如计算fib(4)的值需要计算fib(3)和fib(2)的值,而计算fib(3)的值也需要计算fib(2)的值,相当于计算fib(3)和fib(2)的值的时候都要算一遍fib(2)的值,在n较大的时候会导致程序进行很多冗余的计算,那我们有没有办法对程序进行优化呢?

       进一步的学习中,(以Python为例)我们可以通过 list 储存已经计算好的值,这样就可以避免重复计算了:

def better_fib(n):
    assert n >= 1
    store = [0, 1] #储存第一项和第二项的值
    def fib_aux(n): #定义一个辅助函数
        if n < len(store):
            return store[n] #如果第n项的值已经算好了,就直接返回
        r = fib_aux(n - 1) + fib_aux(n - 2)
        store.append(r) #如果没有计算过则进行计算并储存
        return r
    return fib_aux(n)

      学习了 Generator 之后,我们还可以创建一个无穷的斐波那契数列!

def allFibs():
    pred, curr = 1, 1 # 初始化前两项
    while True:
        yield curr # 每次调用的时候返回一项
        pred, curr = curr, pred + curr # 计算下一项
    

      由于 Generator 是一种 Lazy Evaluation, 只有我们对 allFibs 进行调用的时候函数才会进行计算,我们可以让它输出任意前n项!

def allFibs():
    pred, curr = 1, 1
    while True:
        yield curr
        pred, curr = curr, pred + curr
        
a, sum = allFibs(), []
for _ in range(10):
    sum = sum + [next(a)]

>>> sum
>>> [1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89] #前10项的值

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