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深入解釋c語言中的遞迴演算法

C語言 閱讀(1.23W)

引導語:遞迴函式是直接或間接呼叫自身的函式。以下是本站小編分享給大家的深入解釋C語言中的遞迴演算法,歡迎閱讀!

深入解釋c語言中的遞迴演算法

這裡有一個簡單的程式,可用於說明遞迴。程式的目的是把一個整數從二進位制形式轉換為可列印的字元形式。例如:給出一個值4267,我們需要依次產生字元‘4’,‘2’,‘6’,和‘7’。就如在printf函式中使用了%d格式碼,它就會執行類似處理。

我們採用的策略是把這個值反覆除以10,並列印各個餘數。例如,4267除10的餘數是7,但是我們不能直接列印這個餘數。我們需要列印的是機器字符集中 表示數字‘7’的值。在ASCII碼中,字元‘7’的值是55,所以我們需要在餘數上加上48來獲得正確的字元,但是,使用字元常量而不是整型常量可以提 高程式的可移植性。‘0’的ASCII碼是48,所以我們用餘數加上‘0’,所以有下面的關係:

‘0’+ 0 =‘0’

‘0’+ 1 =‘1’

‘0’+ 2 =‘2’

...

從這些關係中,我們很容易看出在餘數上加上‘0’就可以產生對應字元的程式碼。接著就打印出餘數。下一步再取商的值,4267/10等於426。然後用這個值重複上述步驟。

這種處理方法存在的唯一問題是它產生的數字次序正好相反,它們是逆向列印的。所以在我們的程式中使用遞迴來修正這個問題。

我們這個程式中的函式是遞迴性質的,因為它包含了一個對自身的呼叫。乍一看,函式似乎永遠不會終止。當函式呼叫時,它將呼叫自身,第2次呼叫還將呼叫自身,以此類推,似乎永遠呼叫下去。這也是我們在剛接觸遞迴時最想不明白的事情。但是,事實上並不會出現這種情況。

這個程式的遞迴實現了某種型別的螺旋狀while迴圈。while迴圈在迴圈體每次執行時必須取得某種進展,逐步迫近迴圈終止條件。遞迴函式也是如此,它在每次遞迴呼叫後必須越來越接近某種限制條件。當遞迴函式符合這個限制條件時,它便不在呼叫自身。

在程式中,遞迴函式的限制條件就是變數quotient為零。在每次遞迴呼叫之前,我們都把quotient除以10,所以每遞迴呼叫一次,它的值就越來越接近零。當它最終變成零時,遞迴便告終止。

/*接受一個整型值(無符號0,把它轉換為字元並列印它,前導零被刪除*/

#include

int binary_to_ascii( unsigned int value)

{

unsigned int quotient;

quotient = value / 10;

if( quotient != 0)

binary_to_ascii( quotient);

putchar ( value % 10 + '0' );

}

遞迴是如何幫助我們以正確的`順序列印這些字元呢?下面是這個函式的工作流程。

1. 將引數值除以10

2. 如果quotient的值為非零,呼叫binary-to-ascii列印quotient當前值的各位數字

3. 接著,列印步驟1中除法運算的餘數

注意在第2個步驟中,我們需要列印的是quotient當前值的各位數字。我們所面臨的問題和最初的問題完全相同,只是變數quotient的 值變小了。我們用剛剛編寫的函式(把整數轉換為各個數字字元並打印出來)來解決這個問題。由於quotient的值越來越小,所以遞迴最終會終止。

一旦你理解了遞迴,閱讀遞迴函式最容易的方法不是糾纏於它的執行過程,而是相信遞迴函式會順利完成它的任務。如果你的每個步驟正確無誤,你的限制條件設定正確,並且每次呼叫之後更接近限制條件,遞迴函式總是能正確的完成任務。

但是,為了理解遞迴的工作原理,你需要追蹤遞迴呼叫的執行過程,所以讓我們來進行這項工作。追蹤一個遞迴函式的執行過程的關鍵是理解函式中所聲 明的變數是如何儲存的。當函式被呼叫時,它的變數的空間是創建於執行時堆疊上的。以前呼叫的函式的變數扔保留在堆疊上,但他們被新函式的變數所掩蓋,因此 是不能被訪問的。

當遞迴函式呼叫自身時,情況於是如此。每進行一次新的呼叫,都將建立一批變數,他們將掩蓋遞迴函式前一次呼叫所建立的變數。當我追蹤一個遞迴函式的執行過程時,必須把分數不同次呼叫的變數區分開來,以避免混淆。

程式中的函式有兩個變數:引數value和區域性變數quotient。下面的一些圖顯示了堆疊的狀態,當前可以訪問的變數位於棧頂。所有其他呼叫的變數飾以灰色的陰影,表示他們不能被當前正在執行的函式訪問。

假定我們以4267這個值呼叫遞迴函式。當函式剛開始執行時,堆疊的內容如下圖所示:

執行除法之後,堆疊的內容如下:

接著,if語句判斷出quotient的值非零,所以對該函式執行遞迴呼叫。當這個函式第二次被呼叫之初,堆疊的內容如下:

堆疊上建立了一批新的變數,隱藏了前面的那批變數,除非當前這次遞迴呼叫返回,否則他們是不能被訪問的。再次執行除法運算之後,堆疊的內容如下:

quotient的值現在為42,仍然非零,所以需要繼續執行遞迴呼叫,並再建立一批變數。在執行完這次呼叫的出發運算之後,堆疊的內容如下:

此時,quotient的值還是非零,仍然需要執行遞迴呼叫。在執行除法運算之後,堆疊的內容如下:

不算遞迴呼叫語句本身,到目前為止所執行的語句只是除法運算以及對quotient的值進行測試。由於遞迴呼叫這些語句重複執行,所以它的效果 類似迴圈:當quotient的值非零時,把它的值作為初始值重新開始迴圈。但是,遞迴呼叫將會儲存一些資訊(這點與迴圈不同),也就好是儲存在堆疊中的 變數值。這些資訊很快就會變得非常重要。

現在quotient的值變成了零,遞迴函式便不再呼叫自身,而是開始列印輸出。然後函式返回,並開始銷燬堆疊上的變數值。

每次呼叫putchar得到變數value的最後一個數字,方法是對value進行模10取餘運算,其結果是一個0到9之間的整數。把它與字元常量‘0’相加,其結果便是對應於這個數字的ASCII字元,然後把這個字元打印出來。

輸出4:

接著函式返回,它的變數從堆疊中銷燬。接著,遞迴函式的前一次呼叫重新繼續執行,她所使用的是自己的變數,他們現在位於堆疊的頂部。因為它的value值是42,所以呼叫putchar後打印出來的數字是2。

輸出42:

接著遞迴函式的這次呼叫也返回,它的變數也被銷燬,此時位於堆疊頂部的是遞迴函式再前一次呼叫的變數。遞迴呼叫從這個位置繼續執行,這次列印的數字是6。在這次呼叫返回之前,堆疊的內容如下:

輸出426:

現在我們已經展開了整個遞迴過程,並回到該函式最初的呼叫。這次呼叫打印出數字7,也就是它的value引數除10的餘數。

輸出4267:

然後,這個遞迴函式就徹底返回到其他函式呼叫它的地點。

如果你把打印出來的字元一個接一個排在一起,出現在印表機或螢幕上,你將看到正確的值:4267

漢諾塔問題遞迴演算法分析:

一個廟裡有三個柱子,第一個有64個盤子,從上往下盤子越來越大。要求廟裡的老和尚把這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(後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,我再把最後一個盤子直接移 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(後面我們叫他第 二個和尚),命令:

① 你丫把前63個盤子移動到第二柱子上

② 然後我自己把第64個盤子移動到第三個柱子上後

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,我再把最後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(後面我們叫他第三和 尚),命令:

① 你把前62個盤子移動到第三柱子上

② 然後我自己把第63個盤子移動到第二個柱子上後

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個和尚很鬱悶,沒機會也命令下別人,因為到他這裡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,然後第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。到這裡第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個和尚的任務完成後,第1個和尚的任務才能完成。這是一個典型的遞迴問題。 現在我們以有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。(藉助第三個柱子)

② 第1個和尚我自己把第一柱子最後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(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。(藉助第二柱子)

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,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:這就是停止遞迴的條件,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 藉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藉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(相當第一柱子)移到3座(相當第三柱子):

(1)把1座上(n-1)個盤子藉助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)個盤子藉助1座移動3座。

下面用hanoi(n,a,b,c)表示把1座n個盤子藉助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

int method(int n,char a, char b)

{

printf("number..%..%..%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;

}