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

遞歸算法詳細分析-> C

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

     C通過運行時堆棧支持遞歸函數(shù)的實現(xiàn)。遞歸函數(shù)就是直接或間接調用自身的函數(shù)。
     許多教科書都把計算機階乘和菲波那契數(shù)列用來說明遞歸,非常不幸我們可愛的著名的老潭老師的《C語言程序設計》一書中就是從階乘的計算開始的函數(shù)遞歸。導致讀過這本經書的同學們,看到階乘計算第一個想法就是遞歸。但是在階乘的計算里,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?。

     這里有一個簡單的程序,可用于說明遞歸。程序的目的是把一個整數(shù)從二進制形式轉換為可打印的字符形式。例如:給出一個值4267,我們需要依次產生字符‘4’,‘2’,‘6’,和‘7’。就如在printf函數(shù)中使用了%d格式碼,它就會執(zhí)行類似處理。

     我們采用的策略是把這個值反復除以10,并打印各個余數(shù)。例如,4267除10的余數(shù)是7,但是我們不能直接打印這個余數(shù)。我們需要打印的是機器字符集中表示數(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’,所以有下面的關系:

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

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

  這種處理方法存在的唯一問題是它產生的數(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修正這個問題。

  我們這個程序中的函數(shù)是遞歸性質的,因為它包含了一個對自身的調用。乍一看,函數(shù)似乎永遠不會終止。當函數(shù)調用時,它將調用自身,第2次調用還將調用自身,以此類推,似乎永遠調用下去。這也是我們在剛接觸遞歸時最想不明白的事情。但是,事實上并不會出現(xiàn)這種情況。

  這個程序的遞歸實現(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)行時必須取得某種進展,逐步迫近循環(huán)終止條件。遞歸函數(shù)也是如此,它在每次遞歸調用后必須越來越接近某種限制條件。當遞歸函數(shù)符合這個限制條件時,它便不在調用自身。

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

/*接受一個整型值(無符號0,把它轉換為字符并打印它,前導零被刪除*/

#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,調用binary-to-ascii打印quotient當前值的各位數(shù)字

  3. 接著,打印步驟1中除法運算的余數(shù)

  注意在第2個步驟中,我們需要打印的是quotient當前值的各位數(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)轉換為各個數(shù)字字符并打印出來)來解決這個問題。由于quotient的值越來越小,所以遞歸最終會終止。

  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)行過程,而是相信遞歸函數(shù)會順利完成它的任務。如果你的每個步驟正確無誤,你的限制條件設置正確,并且每次調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。

  但是,為了理解遞歸的工作原理,你需要追蹤遞歸調用的執(zhí)行過程,所以讓我們來進行這項工作。追蹤一個遞歸函數(shù)的執(zhí)行過程的關鍵是理解函數(shù)中所聲明的變量是如何存儲的。當函數(shù)被調用時,它的變量的空間是創(chuàng)建于運行時堆棧上的。以前調用的函數(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。

  當遞歸函數(shù)調用自身時,情況于是如此。每進行一次新的調用,都將創(chuàng)建一批變量,他們將掩蓋遞歸函數(shù)前一次調用所創(chuàng)建的變量。當我追蹤一個遞歸函數(shù)的執(zhí)行過程時,必須把分數(shù)不同次調用的變量區(qū)分開來,以避免混淆。

  程序中的函數(shù)有兩個變量: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),當前可以訪問的變量位于棧頂。所有其他調用的變量飾以灰色的陰影,表示他們不能被當前正在執(zhí)行的函數(shù)訪問。

假定我們以4267這個值調用遞歸函數(shù)。當函數(shù)剛開始執(zhí)行時,堆棧的內容如下圖所示:
 

執(zhí)行除法之后,堆棧的內容如下:

 
接著,if語句判斷出quotient的值非零,所以對該函數(shù)執(zhí)行遞歸調用。當這個函數(shù)第二次被調用之初,堆棧的內容如下:
 

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

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

此時,quotient的值還是非零,仍然需要執(zhí)行遞歸調用。在執(zhí)行除法運算之后,堆棧的內容如下:
 

  不算遞歸調用語句本身,到目前為止所執(zhí)行的語句只是除法運算以及對quotient的值進行測試。由于遞歸調用這些語句重復執(zhí)行,所以它的效果類似循環(huán):當quotient的值非零時,把它的值作為初始值重新開始循環(huán)。但是,遞歸調用將會保存一些信息(這點與循環(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。

每次調用putchar得到變量value的最后一個數(shù)字,方法是對value進行模10取余運算,其結果是一個0到9之間的整數(shù)。把它與字符常量‘0’相加,其結果便是對應于這個數(shù)字的ASCII字符,然后把這個字符打印出來。
   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。因為它的value值是42,所以調用putchar后打印出來的數(shù)字是2。
  輸出42:
 

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

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

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

漢諾塔問題遞歸算法分析:

  一個廟里有三個柱子,第一個有64個盤子,從上往下盤子越來越大。要求廟里的老和尚把這64個盤子全部移動到第三個柱子上。移動的時候始終只能小盤子壓著大盤子。而且每次只能移動一個。

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

          ① 你丫把前63個盤子移動到第二柱子上

          ② 然后我自己把第64個盤子移動到第三個柱子上后

          ③ 你把前63個盤子移動到第三柱子上

      2、第二個和尚接了任務,也覺得很難,所以他也和第一個和尚一樣想:要是有一個人能把前62個盤子先移動到第三個柱子上,我再把最后一個盤子直接移動到第二個柱子,再讓那個人把剛才的前62個盤子從第三個柱子上移動到第三個柱子上,我的任務就完成了,簡單。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個盤子移動到第三柱子上

          ② 然后我自己把第63個盤子移動到第二個柱子上后

          ③ 你把前62個盤子移動到第二柱子上

  3、第三個和尚接了任務,又把移動前61個盤子的任務依葫蘆話瓢的交給了第四個和尚,等等遞推下去,直到把任務交給了第64個和尚為止(估計第64個和尚很郁悶,沒機會也命令下別人,因為到他這里盤子已經只有一個了)。

  4、到此任務下交完成,到各司其職完成的時候了。完成回推了:

第64個和尚移動第1個盤子,把它移開,然后第63個和尚移動他給自己分配的第2個盤子。
第64個和尚再把第1個盤子移動到第2個盤子上。到這里第64個和尚的任務完成,第63個和尚完成了第62個和尚交給他的任務的第一步。

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

第1個和尚命令:

          ① 第2個和尚你先把第一柱子前2個盤子移動到第二柱子。(借助第三個柱子)

          ② 第1個和尚我自己把第一柱子最后的盤子移動到第三柱子。

          ③ 第2個和尚你把前2個盤子從第二柱子移動到第三柱子。

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

其中第一步,第2個和尚他有2個盤子,他就命令:

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

          ② 第2個和尚我自己把第一柱子第2個盤子移動到第二柱子上。

          ③ 第3個和尚你把第1個盤子從第三柱子移動到第二柱子。

   同樣,第二步很容易實現(xiàn),但第3個和尚他只需要移動1個盤子,所以他也不用在下派任務了。(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個和尚還是有2個盤子,命令:

          ① 第3個和尚你把第二柱子上的第1個盤子移動到第一柱子。

          ② 第2個和尚我把第2個盤子從第二柱子移動到第三柱子。

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

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

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

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

下面用hanoi(n,a,b,c)表示把1座n個盤子借助2座移動到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語言表示出來,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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