[译] ES6中的尾调用优化

原文：http://exploringjs.com/es6/ch_tail-calls.html

ECMAScript 6 提供了尾调用优化(tail call optimization)功能，以使得对某些函数的调用不会造成调用栈(call stack)的增长。本文解释了这项功能，以及其带来的好处。

• 1. 什么是尾调用优化
  • 1.1. 正常的执行
  • 1.2. 尾调用优化
• 2. 检查函数调用是否在尾部发生
  • 2.1. 表达式中的尾调用
  • 2.2. 声明语句中的尾调用
  • 2.3. 尾调用优化只在严格模式下有效
  • 2.4. 单独的函数调用不算在尾部
• 3. 尾递归函数
  • 3.1. 尾递归循环

1. 什么是尾调用优化?

粗略的来说，如果当一个函数所做的最后一件事是调用了另一个函数，而后者不需要返回调用者函数中再去做任何动作时；以及由此可知，在这种情况下没有调用者的额外信息需要被储存在调用栈(call stack)上，函数间的调用更像一种goto跳转的时候 -- 这种调用就被成为尾调用(tail call)，此时使得内存栈不再增长的行为就称为尾调用优化(TCO - tail call optimization)。

举个例子来更好的理解下TCO。首先说明一下是否用TCO的区别：

function id(x) {
    return x; // (A)
}
function f(a) {
    const b = a + 1;
    return id(b); // (B)
}
console.log(f(2)); // (C)

1.1 正常的执行

假设有一个JS引擎通过 存储本地变量并返回栈上的地址 来管理方法调用。该引擎会如何执行上述代码呢？

Step 1. 最初，栈上只有全局变量id和f。

栈会对当前作用域的状态(包括本地变量、参数等)进行编码，形成被称为“调用帧”(frame)的一块。

Step 2. 在代码中的C行，f()被调用：首先，将要return到的位置被记录在栈中；然后f的参数a被分配并执行。

栈现在看起来是这样的：共有两个调用帧，一个是位于底部的全局作用域，另一个是其上方 的f()。

Step 3. id() 在B行中被调用。再次形成了一个调用帧，包含了id将要返回到的地址及其参数x被分配和调用的值。

Step 4. 在行A，结果x被返回。id的调用栈被移除，执行过程跳转到其调用帧中存储的要return的位置，也就是行B。(处理返回值有多种途径，最常见的两种是将结果留在栈中和在寄存器中处理之，此处按下不表)

栈现在是这副模样的了：

Step 5. 在行B中，从id中返回的值将继续返回给f的调用者。照旧，最上面的调用帧被移除，执行过程跳转到要return的位置 -- 行C。

Step 6. 行C接收到返回值3并完成打印工作。

1.2 尾调用优化

function id(x) {
    return x; // (A)
}
function f(a) {
    const b = a + 1;
    return id(b); // (B)
}
console.log(f(2)); // (C)

回顾上个章节的过程，其实 step 5 是多余的。行B中发生的全部事情其实只不过是把id()中返回的值传递给行C罢了。理想情况是，id()可以自行完成这一步，而跳过二传手 step 5。

可以通过对行B的函数调用采取不一样的实现方式来达成以上目的。栈在调用发生前是这样的：

检查这次调用就会发现，它是f()的最后一个行为。一旦id()完成，f()剩余执行的唯一行为就是把前者的结果返回给自身的调用者。因此，f中的变量就不需要了，其调用帧也就可以在这次调用之前被移除了。赋给id()的将要return地址直接可以是f的return地址，也就是行C了。在id()执行期间，栈看起来就是这样的：

id()返回了数值3，或者可以说它为f()返回了这个值；因为通过行C，该值被传递给了f的调用者。

不难发现，行B的函数调用就是一个尾调用。这样的调用可以在栈0增长的情况下完成。要判断函数调用是否是尾调用，必须检查其是否处于尾部(比如最后一个行为)。下一章节将讲述如何做到。

2. 检查函数调用是否在尾部发生

我们已经了解到尾调用可以被更有效率的执行，那么如何认定一个尾调用呢？

首先，调用函数的方式是无所谓的。下列调用如果出现在尾部，就都可以被优化：

• 函数调用: func(···)
• 方法调用: obj.method(···)
• 通过 call(): func.call(···)
• 通过 apply(): func.apply(···)

2.1 表达式中的尾调用

箭头函数可以用表达式作为方法体。对于尾调用优化，因此必须找出表达式中函数调用的尾部。只有下列表达式会包含尾调用：

• 条件操作符 (? :)
• 逻辑或 (||)
• 逻辑与 (&&)
• 逗号 (,)

分别来举例看一下：

2.1.1 条件操作符 (? :)

const a = x => x ? f() : g();

f() 和 g() 都在尾部。

2.1.2 逻辑或 (||)

const a = () => f() || g();

f() 不在尾部，g() 在尾部。至于为什么，看看下面的等价代码就知道了：

const a = () => {
    const fResult = f(); // not a tail call
    if (fResult) {
        return fResult;
    } else {
        return g(); // tail call
    }
};

逻辑或操作符的结果依赖于f()的结果，所以是g()，而非f()的方法调用(调用者在其返回后又做了些什么)处于尾部。

2.1.3 逻辑与 (&&)

const a = () => f() && g();

同样，f() 不在尾部，g() 在尾部：

const a = () => {
    const fResult = f(); // not a tail call
    if (!fResult) {
        return fResult;
    } else {
        return g(); // tail call
    }
};

理由和逻辑或相同。

2.1.4 逗号 (,)

const a = () => (f() , g());

依然是，f() 不在尾部，g() 在尾部：

const a = () => {
    f();
    return g();
}

2.2 声明语句中的尾调用

对于声明语句，下列规则适用，只有这些混合声明语句会包含尾调用：

• 块 (用 {}界定，有时会有一个label)
• if: 包括逻辑上的 “then” 和 “else” 子句
• do-while, while, for: 在其循环体中
• switch: 在其判断体中
• try-catch: 只在 catch 子句中，try 子句将 catch 子句作为上下文，导致无法被优化
• try-finally, try-catch-finally: 只在 finally 子句中，它会成为其他子句的上下文

对于所有原子(非混合)声明语句，只有return会包含尾调用。其他此类声明语句都有无法被优化的上下文。如下所示，当expr部分包含尾调用时，下列声明语句就包含尾调用。

return «expr»;

2.3 尾调用优化只在严格模式下有效

在非严格模式下，大多数引擎会包含下面两个属性，以便开发者检查调用栈：

• func.arguments: 表示对 func最近一次调用所包含的参数
• func.caller: 引用对 func最近一次调用的那个函数

在尾调用优化中，这些属性不再有用，因为相关的信息可能以及被移除了。因此，严格模式(strict mode)禁止这些属性，并且尾调用优化只在严格模式下有效。

2.4 单独的函数调用不算在尾部

下面的代码中，对bar() 的函数调用不算在尾部：

function foo() {
    bar(); // this is not a tail call in JS
}

原因在于foo()的最后一个动作不是对bar() 的函数调用，而是隐式的返回了undefined。换句话说，foo()的行为如下：

function foo() {
    bar();
    return undefined;
}

调用者可以依赖一个总是返回undefined的foo()；但如果对bar()做了尾调用优化，那么其返回值就有可能改变了foo的行为。

因此，如果想要bar()成为一个尾调用，就得改成这样：

function foo() {
    return bar(); // tail call
}

3. 尾递归函数

如果一个函数的主递归调用发生在尾部，那这个函数就是尾递归。

譬如，下面的阶乘函数不是尾递归，因为行A中的主递归调用不在尾部：

function factorial(x) {
    if (x <= 0) {
        return 1;
    } else {
        return x * factorial(x-1); // (A)
    }
}

可以用一个辅助方法facRec()来使factorial()成为尾递归。行A中的主递归调用处于尾部了：

function factorial(n) {
    return facRec(n, 1);
}
function facRec(x, acc) {
    if (x <= 1) {
        return acc;
    } else {
        return facRec(x-1, x*acc); // (A)
    }
}

这样，一些非尾递归的函数就可以转化成尾递归了。

3.1 尾递归循环

尾调用优化使得在递归循环中不增长调用栈成为可能。下面举两个例子。

3.1.1 forEach()

function forEach(arr, callback, start = 0) {
    if (0 <= start && start < arr.length) {
        callback(arr[start], start, arr);
        return forEach(arr, callback, start+1); // tail call
    }
}
forEach(['a', 'b'], (elem, i) => console.log(`${i}. ${elem}`));

// Output:
// 0. a
// 1. b

3.1.2 findIndex()

function findIndex(arr, predicate, start = 0) {
    if (0 <= start && start < arr.length) {
        if (predicate(arr[start])) {
            return start;
        }
        return findIndex(arr, predicate, start+1); // tail call
    }
}
findIndex(['a', 'b'], x => x === 'b'); // 1

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