发布于 由admin

JS `WebAssembly` `Tail Call Optimization` (提案)：尾递归优化与栈使用

咳咳，大家好，我是今天的讲师，大家可以叫我老司机。今天咱们聊聊JavaScript WebAssembly中的尾调用优化（Tail Call Optimization，TCO）。这玩意儿，说白了，就是让递归函数用起来更省心，不至于动不动就栈溢出嗝屁。

一、啥是尾调用？为啥要优化？

要理解尾调用优化，首先得明白啥是尾调用。 简单来说，尾调用就是一个函数里的最后一步是调用另一个函数，并且没有对该调用的结果做任何额外的操作。

举个例子：

function foo(x) {
  return bar(x); // 尾调用
}

function bar(y) {
  return y + 1;
}

function baz(x) {
  let result = bar(x); // 不是尾调用
  return result + 1;   // 结果被修改了
}

function qux(x) {
  if (x > 0) {
    return bar(x); // 尾调用
  } else {
    return 0;
  }
}

function recursive(n) {
  if (n === 0) {
    return 0;
  }
  return recursive(n - 1); // 尾调用
}

function notTailRecursive(n) {
  if (n === 0) {
    return 0;
  }
  return 1 + notTailRecursive(n - 1); // 不是尾调用，因为有加1操作
}

在上面的代码中，foo 函数中的 bar(x)，qux函数中的bar(x)和recursive函数中的recursive(n-1)是尾调用，而baz 函数中的 bar(x) 和 notTailRecursive函数中的notTailRecursive(n-1)不是尾调用。关键在于，尾调用返回的是被调用函数的结果，没有做任何额外处理。

为啥尾调用很重要呢？

因为传统的函数调用会消耗栈空间。每次调用一个函数，都要在栈上分配一块内存，保存当前函数的状态（比如局部变量、返回地址等）。如果递归调用很深，栈空间就会被耗尽，导致栈溢出。

尾调用优化就是为了解决这个问题。如果一个函数是尾调用，那么就不需要为它分配新的栈空间，可以直接复用当前函数的栈空间。

二、尾调用优化怎么个优化法？

尾调用优化的核心思想是：复用栈帧。

当解释器或编译器检测到尾调用时，它会进行如下操作：

  1. 丢弃当前函数的栈帧： 当前函数已经执行到最后一步，它的状态不再需要保存。
  2. 跳转到被调用函数的入口： 直接执行被调用函数。

这样一来，就相当于把递归调用转化成了循环，避免了栈空间的无限增长。

举个栗子：

假设我们有一个递归函数，用来计算阶乘：

function factorial(n) {
  if (n === 0) {
    return 1;
  }
  return n * factorial(n - 1); // 不是尾调用
}

这个函数不是尾递归，因为 factorial(n - 1) 的结果还要乘以 n。每次调用 factorial 都会创建一个新的栈帧。

如果我们把它改成尾递归的形式：

function factorialTail(n, accumulator = 1) {
  if (n === 0) {
    return accumulator;
  }
  return factorialTail(n - 1, n * accumulator); // 尾调用
}

现在，factorialTail 函数变成了一个尾递归函数。每次递归调用 factorialTail 都是一个尾调用，可以进行尾调用优化。也就是说，每次递归调用都会复用之前的栈帧，而不会创建新的栈帧。

三、WebAssembly 中的尾调用优化

WebAssembly (Wasm) 是一种可移植的、大小高效的、接近原生汇编的代码格式，可以在现代 Web 浏览器中运行。它天生就适合进行各种优化，包括尾调用优化。

WebAssembly 规范明确支持尾调用优化。这意味着，如果你的 WebAssembly 代码中包含了尾调用，那么支持该优化的 WebAssembly 引擎（比如 V8、SpiderMonkey、WebKit 等）就可以对它进行优化。

如何编写可进行尾调用优化的 WebAssembly 代码？

这取决于你使用的编程语言和编译器。通常，你需要确保你的代码符合尾调用的要求，并且编译器开启了尾调用优化选项。

举个例子（使用 AssemblyScript）：

AssemblyScript 是一种将 TypeScript 编译成 WebAssembly 的语言。它对尾调用优化有良好的支持。

// factorial.ts
export function factorialTail(n: i32, accumulator: i32 = 1): i32 {
  if (n == 0) {
    return accumulator;
  }
  return factorialTail(n - 1, n * accumulator); // 尾调用
}

// 使用方法
export function calculateFactorial(n: i32): i32 {
  return factorialTail(n);
}

要编译这段代码，你需要安装 AssemblyScript 编译器：

npm install -g assemblyscript

然后，使用以下命令编译：

asc factorial.ts -b factorial.wasm -t factorial.wat --optimizeLevel 3 --enable-tco
  • -b factorial.wasm：指定输出的 WebAssembly 文件。
  • -t factorial.wat：指定输出的 WebAssembly 文本格式文件（方便阅读）。
  • --optimizeLevel 3：开启最高级别的优化。
  • --enable-tco：显式启用尾调用优化。 这是关键！

编译完成后，你会得到 factorial.wasm 和 factorial.wat 两个文件。factorial.wat 文件包含了 WebAssembly 代码的文本表示，你可以打开它来查看是否成功进行了尾调用优化。

查看 WebAssembly 代码 (factorial.wat)：

打开 factorial.wat 文件，你可能会看到类似这样的代码：

(module
  (func $factorialTail (param $n i32) (param $accumulator i32) (result i32)
    (local $result i32)
    block $B0
      get_local $n
      if (then
        i32.eqz
        br_if $B0
        get_local $accumulator
        set_local $result
        br $B0
      )
      get_local $n
      i32.const 1
      i32.sub
      get_local $n
      get_local $accumulator
      i32.mul
      call $factorialTail  ;; 尾调用优化后的形式，实际上就是跳转
    end $B0
    get_local $result
    return
  )

  (func $calculateFactorial (param $n i32) (result i32)
    i32.const 1
    get_local $n
    call $factorialTail
    return
  )

  (export "factorialTail" (func $factorialTail))
  (export "calculateFactorial" (func $calculateFactorial))
)

关键在于 call $factorialTail 这一行。 尾调用优化后的 Wasm 代码，会直接跳转到被调用函数，而不会创建新的栈帧。 在某些情况下，你可能会看到更底层的指令，比如 br (branch) 指令，它也能实现跳转的效果。

四、JavaScript 如何调用优化的 WebAssembly 代码？

有了优化的 WebAssembly 代码，接下来就是在 JavaScript 中调用它。

// index.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>WebAssembly Tail Call Optimization</title>
</head>
<body>
  <script>
    async function loadWasm() {
      try {
        const response = await fetch('factorial.wasm');
        const buffer = await response.arrayBuffer();
        const module = await WebAssembly.compile(buffer);
        const instance = await WebAssembly.instantiate(module, {}); // 导入空对象

        const factorial = instance.exports.calculateFactorial;

        console.time('factorial(10)');
        console.log('factorial(10) =', factorial(10));
        console.timeEnd('factorial(10)');

        console.time('factorial(10000)');
        console.log('factorial(10000) =', factorial(10000)); // 大数计算
        console.timeEnd('factorial(10000)');

      } catch (error) {
        console.error('Failed to load WebAssembly:', error);
      }
    }

    loadWasm();
  </script>
</body>
</html>

这段代码做了以下几件事：

  1. 加载 WebAssembly 模块： 使用 fetch API 加载 factorial.wasm 文件。
  2. 编译 WebAssembly 模块： 使用 WebAssembly.compile 将二进制数据编译成 WebAssembly 模块。
  3. 实例化 WebAssembly 模块： 使用 WebAssembly.instantiate 创建 WebAssembly 实例。
  4. 调用 WebAssembly 函数： 通过 instance.exports 获取导出的函数，并进行调用。

五、注意事项和限制

  • 并非所有 WebAssembly 引擎都支持尾调用优化： 虽然 WebAssembly 规范支持尾调用优化，但并非所有引擎都实现了它。你需要查阅你使用的引擎的文档，确认它是否支持尾调用优化。
  • 尾调用优化的条件比较严格： 只有符合尾调用要求的函数才能进行优化。
  • 调试尾调用优化后的代码可能会比较困难： 由于栈帧被复用，调试器可能无法正确显示调用栈。
  • JavaScript 引擎的限制: 即使 WebAssembly 支持 TCO，JavaScript 调用 Wasm 时， JavaScript 引擎本身可能存在栈溢出限制，影响整体性能。
  • 浮点数运算的精度问题: 尾调用优化可能改变浮点数运算的顺序，导致精度略有不同。 在对精度要求极高的场合，需要特别注意。
  • 性能Profiling: 即使使用了尾调用优化，也建议进行性能分析，确认优化的实际效果。 不同的编译器和引擎在优化策略上可能存在差异。

六、总结

尾调用优化是一种非常有用的技术，可以避免递归函数导致的栈溢出问题。WebAssembly 对尾调用优化有良好的支持，可以让你编写出更高效、更可靠的代码。

用表格总结一下：

特性 描述
尾调用 函数的最后一步是调用另一个函数，且没有对结果进行额外操作。
尾调用优化 复用栈帧，避免递归调用导致的栈溢出。
WebAssembly 一种可移植的、大小高效的、接近原生汇编的代码格式，支持尾调用优化。
AssemblyScript 将 TypeScript 编译成 WebAssembly 的语言，对尾调用优化有良好的支持。
优点 避免栈溢出，提高性能。
缺点 并非所有引擎都支持，调试可能困难，对代码形式有要求。

最后，再来个段子：

程序员A： “我最近写了个递归函数，跑了几次就栈溢出了，愁死我了！”

程序员B：“试试尾调用优化啊！把递归改成尾递归，让编译器帮你优化一下，说不定就好了。”

程序员A：“尾调用优化？ 听起来像个魔法咒语。不过，死马当活马医，我试试！”

（几天后）

程序员A：“卧槽！ 真的好了！ 尾调用优化简直是救星啊！”

程序员B：“那是！ 这可是老司机必备技能！”

好了，今天的讲座就到这里。希望大家以后写递归函数的时候，多想想尾调用优化，别让栈溢出毁了你的代码！ 谢谢大家！

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注