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      遞歸算法詳細(xì)分析-> C - THiS Me---BY:ZhAngXiN - 博客園

       suweixin 2011-01-14

      遞歸算法詳細(xì)分析-> C

      Posted on 2008-09-12 10:43 ·小新· 閱讀(5742) 評(píng)論(3) 編輯 收藏 所屬分類: Unix&C

           C通過(guò)運(yùn)行時(shí)堆棧支持遞歸函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。遞歸函數(shù)就是直接或間接調(diào)用自身的函數(shù)。
           許多教科書都把計(jì)算機(jī)階乘和菲波那契數(shù)列用來(lái)說(shuō)明遞歸,非常不幸我們可愛的著名的老潭老師的《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》一書中就是從階乘的計(jì)算開始的函數(shù)遞歸。導(dǎo)致讀過(guò)這本經(jīng)書的同學(xué)們,看到階乘計(jì)算第一個(gè)想法就是遞歸。但是在階乘的計(jì)算里,遞歸并沒有提供任何優(yōu)越之處。在菲波那契數(shù)列中,它的效率更是低的非??植?。

           這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的程序,可用于說(shuō)明遞歸。程序的目的是把一個(gè)整數(shù)從二進(jìn)制形式轉(zhuǎn)換為可打印的字符形式。例如:給出一個(gè)值4267,我們需要依次產(chǎn)生字符‘4’,‘2’,‘6’,和‘7’。就如在printf函數(shù)中使用了%d格式碼,它就會(huì)執(zhí)行類似處理。

           我們采用的策略是把這個(gè)值反復(fù)除以10,并打印各個(gè)余數(shù)。例如,4267除10的余數(shù)是7,但是我們不能直接打印這個(gè)余數(shù)。我們需要打印的是機(jī)器字符集中表示數(shù)字‘7’的值。在ASCII碼中,字符‘7’的值是55,所以我們需要在余數(shù)上加上48來(lái)獲得正確的字符,但是,使用字符常量而不是整型常量可以提高程序的可移植性。‘0’的ASCII碼是48,所以我們用余數(shù)加上‘0’,所以有下面的關(guān)系:

                ‘0’+ 0 =‘0’
                ‘0’+ 1 =‘1’
                ‘0’+ 2 =‘2’
                   ...

        從這些關(guān)系中,我們很容易看出在余數(shù)上加上‘0’就可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)字符的代碼。接著就打印出余數(shù)。下一步再取商的值,4267/10等于426。然后用這個(gè)值重復(fù)上述步驟。

        這種處理方法存在的唯一問題是它產(chǎn)生的數(shù)字次序正好相反,它們是逆向打印的。所以在我們的程序中使用遞歸來(lái)修正這個(gè)問題。

        我們這個(gè)程序中的函數(shù)是遞歸性質(zhì)的,因?yàn)樗艘粋€(gè)對(duì)自身的調(diào)用。乍一看,函數(shù)似乎永遠(yuǎn)不會(huì)終止。當(dāng)函數(shù)調(diào)用時(shí),它將調(diào)用自身,第2次調(diào)用還將調(diào)用自身,以此類推,似乎永遠(yuǎn)調(diào)用下去。這也是我們?cè)趧偨佑|遞歸時(shí)最想不明白的事情。但是,事實(shí)上并不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

        這個(gè)程序的遞歸實(shí)現(xiàn)了某種類型的螺旋狀while循環(huán)。while循環(huán)在循環(huán)體每次執(zhí)行時(shí)必須取得某種進(jìn)展,逐步迫近循環(huán)終止條件。遞歸函數(shù)也是如此,它在每次遞歸調(diào)用后必須越來(lái)越接近某種限制條件。當(dāng)遞歸函數(shù)符合這個(gè)限制條件時(shí),它便不在調(diào)用自身。

      在程序中,遞歸函數(shù)的限制條件就是變量quotient為零。在每次遞歸調(diào)用之前,我們都把quotient除以10,所以每遞歸調(diào)用一次,它的值就越來(lái)越接近零。當(dāng)它最終變成零時(shí),遞歸便告終止。

      /*接受一個(gè)整型值(無(wú)符號(hào)0,把它轉(zhuǎn)換為字符并打印它,前導(dǎo)零被刪除*/

      #include <stdio.h>

      int binary_to_ascii( unsigned int value)
      {
                unsigned int quotient;
          
           quotient = value / 10;
           if( quotient != 0)
                 binary_to_ascii( quotient);
           putchar ( value % 10 + '0' );
      }


      遞歸是如何幫助我們以正確的順序打印這些字符呢?下面是這個(gè)函數(shù)的工作流程。
             1. 將參數(shù)值除以10
             2. 如果quotient的值為非零,調(diào)用binary-to-ascii打印quotient當(dāng)前值的各位數(shù)字

        3. 接著,打印步驟1中除法運(yùn)算的余數(shù)

        注意在第2個(gè)步驟中,我們需要打印的是quotient當(dāng)前值的各位數(shù)字。我們所面臨的問題和最初的問題完全相同,只是變量quotient的值變小了。我們用剛剛編寫的函數(shù)(把整數(shù)轉(zhuǎn)換為各個(gè)數(shù)字字符并打印出來(lái))來(lái)解決這個(gè)問題。由于quotient的值越來(lái)越小,所以遞歸最終會(huì)終止。

        一旦你理解了遞歸,閱讀遞歸函數(shù)最容易的方法不是糾纏于它的執(zhí)行過(guò)程,而是相信遞歸函數(shù)會(huì)順利完成它的任務(wù)。如果你的每個(gè)步驟正確無(wú)誤,你的限制條件設(shè)置正確,并且每次調(diào)用之后更接近限制條件,遞歸函數(shù)總是能正確的完成任務(wù)。

        但是,為了理解遞歸的工作原理,你需要追蹤遞歸調(diào)用的執(zhí)行過(guò)程,所以讓我們來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)工作。追蹤一個(gè)遞歸函數(shù)的執(zhí)行過(guò)程的關(guān)鍵是理解函數(shù)中所聲明的變量是如何存儲(chǔ)的。當(dāng)函數(shù)被調(diào)用時(shí),它的變量的空間是創(chuàng)建于運(yùn)行時(shí)堆棧上的。以前調(diào)用的函數(shù)的變量扔保留在堆棧上,但他們被新函數(shù)的變量所掩蓋,因此是不能被訪問的。

        當(dāng)遞歸函數(shù)調(diào)用自身時(shí),情況于是如此。每進(jìn)行一次新的調(diào)用,都將創(chuàng)建一批變量,他們將掩蓋遞歸函數(shù)前一次調(diào)用所創(chuàng)建的變量。當(dāng)我追蹤一個(gè)遞歸函數(shù)的執(zhí)行過(guò)程時(shí),必須把分?jǐn)?shù)不同次調(diào)用的變量區(qū)分開來(lái),以避免混淆。

        程序中的函數(shù)有兩個(gè)變量:參數(shù)value和局部變量quotient。下面的一些圖顯示了堆棧的狀態(tài),當(dāng)前可以訪問的變量位于棧頂。所有其他調(diào)用的變量飾以灰色的陰影,表示他們不能被當(dāng)前正在執(zhí)行的函數(shù)訪問。

      假定我們以4267這個(gè)值調(diào)用遞歸函數(shù)。當(dāng)函數(shù)剛開始執(zhí)行時(shí),堆棧的內(nèi)容如下圖所示:
       

      執(zhí)行除法之后,堆棧的內(nèi)容如下:

       
      接著,if語(yǔ)句判斷出quotient的值非零,所以對(duì)該函數(shù)執(zhí)行遞歸調(diào)用。當(dāng)這個(gè)函數(shù)第二次被調(diào)用之初,堆棧的內(nèi)容如下:
       

      堆棧上創(chuàng)建了一批新的變量,隱藏了前面的那批變量,除非當(dāng)前這次遞歸調(diào)用返回,否則他們是不能被訪問的。再次執(zhí)行除法運(yùn)算之后,堆棧的內(nèi)容如下:
       

      quotient的值現(xiàn)在為42,仍然非零,所以需要繼續(xù)執(zhí)行遞歸調(diào)用,并再創(chuàng)建一批變量。在執(zhí)行完這次調(diào)用的出發(fā)運(yùn)算之后,堆棧的內(nèi)容如下:
       

      此時(shí),quotient的值還是非零,仍然需要執(zhí)行遞歸調(diào)用。在執(zhí)行除法運(yùn)算之后,堆棧的內(nèi)容如下:
       

        不算遞歸調(diào)用語(yǔ)句本身,到目前為止所執(zhí)行的語(yǔ)句只是除法運(yùn)算以及對(duì)quotient的值進(jìn)行測(cè)試。由于遞歸調(diào)用這些語(yǔ)句重復(fù)執(zhí)行,所以它的效果類似循環(huán):當(dāng)quotient的值非零時(shí),把它的值作為初始值重新開始循環(huán)。但是,遞歸調(diào)用將會(huì)保存一些信息(這點(diǎn)與循環(huán)不同),也就好是保存在堆棧中的變量值。這些信息很快就會(huì)變得非常重要。

        現(xiàn)在quotient的值變成了零,遞歸函數(shù)便不再調(diào)用自身,而是開始打印輸出。然后函數(shù)返回,并開始銷毀堆棧上的變量值。

      每次調(diào)用putchar得到變量value的最后一個(gè)數(shù)字,方法是對(duì)value進(jìn)行模10取余運(yùn)算,其結(jié)果是一個(gè)0到9之間的整數(shù)。把它與字符常量‘0’相加,其結(jié)果便是對(duì)應(yīng)于這個(gè)數(shù)字的ASCII字符,然后把這個(gè)字符打印出來(lái)。
         輸出4:
       

      接著函數(shù)返回,它的變量從堆棧中銷毀。接著,遞歸函數(shù)的前一次調(diào)用重新繼續(xù)執(zhí)行,她所使用的是自己的變量,他們現(xiàn)在位于堆棧的頂部。因?yàn)樗膙alue值是42,所以調(diào)用putchar后打印出來(lái)的數(shù)字是2。
        輸出42:
       

      接著遞歸函數(shù)的這次調(diào)用也返回,它的變量也被銷毀,此時(shí)位于堆棧頂部的是遞歸函數(shù)再前一次調(diào)用的變量。遞歸調(diào)用從這個(gè)位置繼續(xù)執(zhí)行,這次打印的數(shù)字是6。在這次調(diào)用返回之前,堆棧的內(nèi)容如下:
        輸出426:
       

      現(xiàn)在我們已經(jīng)展開了整個(gè)遞歸過(guò)程,并回到該函數(shù)最初的調(diào)用。這次調(diào)用打印出數(shù)字7,也就是它的value參數(shù)除10的余數(shù)。
        輸出4267:
       

      然后,這個(gè)遞歸函數(shù)就徹底返回到其他函數(shù)調(diào)用它的地點(diǎn)。
      如果你把打印出來(lái)的字符一個(gè)接一個(gè)排在一起,出現(xiàn)在打印機(jī)或屏幕上,你將看到正確的值:4267

      漢諾塔問題遞歸算法分析:

        一個(gè)廟里有三個(gè)柱子,第一個(gè)有64個(gè)盤子,從上往下盤子越來(lái)越大。要求廟里的老和尚把這64個(gè)盤子全部移動(dòng)到第三個(gè)柱子上。移動(dòng)的時(shí)候始終只能小盤子壓著大盤子。而且每次只能移動(dòng)一個(gè)。

        1、此時(shí)老和尚(后面我們叫他第一個(gè)和尚)覺得很難,所以他想:要是有一個(gè)人能把前63個(gè)盤子先移動(dòng)到第二個(gè)柱子上,我再把最后一個(gè)盤子直接移動(dòng)到第三個(gè)柱子,再讓那個(gè)人把剛才的前63個(gè)盤子從第二個(gè)柱子上移動(dòng)到第三個(gè)柱子上,我的任務(wù)就完成了,簡(jiǎn)單。所以他找了比他年輕的和尚(后面我們叫他第二個(gè)和尚),命令:

                ① 你丫把前63個(gè)盤子移動(dòng)到第二柱子上

                ② 然后我自己把第64個(gè)盤子移動(dòng)到第三個(gè)柱子上后

                ③ 你把前63個(gè)盤子移動(dòng)到第三柱子上

            2、第二個(gè)和尚接了任務(wù),也覺得很難,所以他也和第一個(gè)和尚一樣想:要是有一個(gè)人能把前62個(gè)盤子先移動(dòng)到第三個(gè)柱子上,我再把最后一個(gè)盤子直接移動(dòng)到第二個(gè)柱子,再讓那個(gè)人把剛才的前62個(gè)盤子從第三個(gè)柱子上移動(dòng)到第三個(gè)柱子上,我的任務(wù)就完成了,簡(jiǎn)單。所以他也找了比他年輕的和尚(后面我們叫他第三和尚),命令:

                ① 你把前62個(gè)盤子移動(dòng)到第三柱子上

                ② 然后我自己把第63個(gè)盤子移動(dòng)到第二個(gè)柱子上后

                ③ 你把前62個(gè)盤子移動(dòng)到第二柱子上

        3、第三個(gè)和尚接了任務(wù),又把移動(dòng)前61個(gè)盤子的任務(wù)依葫蘆話瓢的交給了第四個(gè)和尚,等等遞推下去,直到把任務(wù)交給了第64個(gè)和尚為止(估計(jì)第64個(gè)和尚很郁悶,沒機(jī)會(huì)也命令下別人,因?yàn)榈剿@里盤子已經(jīng)只有一個(gè)了)。

        4、到此任務(wù)下交完成,到各司其職完成的時(shí)候了。完成回推了:

      第64個(gè)和尚移動(dòng)第1個(gè)盤子,把它移開,然后第63個(gè)和尚移動(dòng)他給自己分配的第2個(gè)盤子。
      第64個(gè)和尚再把第1個(gè)盤子移動(dòng)到第2個(gè)盤子上。到這里第64個(gè)和尚的任務(wù)完成,第63個(gè)和尚完成了第62個(gè)和尚交給他的任務(wù)的第一步。

        從上面可以看出,只有第64個(gè)和尚的任務(wù)完成了,第63個(gè)和尚的任務(wù)才能完成,只有第2個(gè)和尚----第64個(gè)和尚的任務(wù)完成后,第1個(gè)和尚的任務(wù)才能完成。這是一個(gè)典型的遞歸問題。 現(xiàn)在我們以有3個(gè)盤子來(lái)分析:

      第1個(gè)和尚命令:

                ① 第2個(gè)和尚你先把第一柱子前2個(gè)盤子移動(dòng)到第二柱子。(借助第三個(gè)柱子)

                ② 第1個(gè)和尚我自己把第一柱子最后的盤子移動(dòng)到第三柱子。

                ③ 第2個(gè)和尚你把前2個(gè)盤子從第二柱子移動(dòng)到第三柱子。

         很顯然,第二步很容易實(shí)現(xiàn)(哎,人總是自私地,把簡(jiǎn)單留給自己,困難的給別人)。

      其中第一步,第2個(gè)和尚他有2個(gè)盤子,他就命令:

                ① 第3個(gè)和尚你把第一柱子第1個(gè)盤子移動(dòng)到第三柱子。(借助第二柱子)

                ② 第2個(gè)和尚我自己把第一柱子第2個(gè)盤子移動(dòng)到第二柱子上。

                ③ 第3個(gè)和尚你把第1個(gè)盤子從第三柱子移動(dòng)到第二柱子。

         同樣,第二步很容易實(shí)現(xiàn),但第3個(gè)和尚他只需要移動(dòng)1個(gè)盤子,所以他也不用在下派任務(wù)了。(注意:這就是停止遞歸的條件,也叫邊界值)

      第三步可以分解為,第2個(gè)和尚還是有2個(gè)盤子,命令:

                ① 第3個(gè)和尚你把第二柱子上的第1個(gè)盤子移動(dòng)到第一柱子。

                ② 第2個(gè)和尚我把第2個(gè)盤子從第二柱子移動(dòng)到第三柱子。

                ③ 第3個(gè)和尚你把第一柱子上的盤子移動(dòng)到第三柱子。
                         
      分析組合起來(lái)就是:1→3 1→2 3→2 借助第三個(gè)柱子移動(dòng)到第二個(gè)柱子 |1→3 自私人留給自己的活| 2→1 2→3 1→3借助第一個(gè)柱子移動(dòng)到第三個(gè)柱子|共需要七步。

      如果是4個(gè)盤子,則第一個(gè)和尚的命令中第1步和第3步各有3個(gè)盤子,所以各需要7步,共14步,再加上第1個(gè)和尚的1步,所以4個(gè)盤子總共需要移動(dòng)7+1+7=15步,同樣,5個(gè)盤子需要15+1+15=31步,6個(gè)盤子需要31+1+31=64步……由此可以知道,移動(dòng)n個(gè)盤子需要(2的n次方)-1步。

         從上面整體綜合分析可知把n個(gè)盤子從1座(相當(dāng)?shù)谝恢樱┮频?座(相當(dāng)?shù)谌樱?

      (1)把1座上(n-1)個(gè)盤子借助3座移到2座。
           (2)把1座上第n個(gè)盤子移動(dòng)3座。
      (3)把2座上(n-1)個(gè)盤子借助1座移動(dòng)3座。

      下面用hanoi(n,a,b,c)表示把1座n個(gè)盤子借助2座移動(dòng)到3座。

      很明顯:    (1)步上是 hanoi(n-1,1,3,2)
                     (3)步上是 hanoi(n-1,2,1,3)
      用C語(yǔ)言表示出來(lái),就是:
      #include <stdio.h>
      int method(int n,char a, char b)
      {
           printf("number..%d..form..%c..to..%c.."n",n,a,b);
           return 0;
      }
      int hanoi(int n,char a,char b,char c)
      {
           if( n==1 ) move (1,a,c);
           else
                {
                     hanoi(n-1,a,c,b);
                     move(n,a,c);
                     hanoi(n-1,b,a,c);
                };
           return 0;
      }
      int main()
      {
           int num;
           scanf("%d",&num);
           hanoi(num,'A','B','C');
           return 0;
      }

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