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C 语言中的递归

递归是指函数调用自身的过程。C 语言允许编写此类函数,通过调用自身将复杂问题分解为简单易行的问题来解决。这些函数被称为递归函数。

什么是 C 语言中的递归函数?

C 语言中的递归函数是指函数调用自身的函数。当某个问题根据自身进行定义时,就会使用递归函数。虽然递归函数涉及迭代,但使用迭代方法解决此类问题可能会非常繁琐。递归方法为看似复杂的问题提供了非常简洁的解决方案。

语法

通用递归函数如下所示 -

void recursive_function(){
    recursion(); // 函数调用自身
}

int main(){
   recursive_function();
}

使用递归时,程序员需要谨慎定义函数的退出条件,否则会陷入无限循环。

为什么在 C 语言中使用递归?

递归用于执行复杂任务,例如树和图结构的遍历。常见的递归编程解决方案包括阶乘、二分查找、树遍历、汉诺塔、国际象棋中的八皇后问题等。

递归程序简洁,不易理解。即使代码大小可以减少,由于涉及对函数的多次IO调用,也需要更多的处理器资源。

使用递归计算阶乘

递归函数在解决许多数学问题中非常有用,例如计算数字的阶乘、生成斐波那契数列等。

递归最常见的例子是计算阶乘。从数学上讲,阶乘定义为 -

n! = n X (n-1)!

可以看出,我们使用阶乘本身来定义阶乘。因此,这是一个编写递归函数的合适案例。让我们扩展上述定义,以计算阶乘值 5。

5! = 5 X 4!
   5 X 4 X 3!
   5 X 4 X 3 X 2!
   5 X 4 X 3 X  2 X 1!
   5 X 4 X 3 X  2 X 1
   = 120

虽然我们可以使用循环来执行此计算,但它的递归函数需要通过递减数字直至达到 1 来连续调用它。

示例:非递归阶乘函数

以下程序展示了如何使用非递归函数计算数字的阶乘 -

#include <stdio.h>
#include <math.h>

// 函数声明
int factorial(int);

int main(){
   int a = 5;
   int f = factorial(a);
   
   printf("a: %d 
", a);
   printf("Factorial of a: %d", f);
}
int factorial(int x){
   int i;
   int f = 1;
   
   for (i = 5; i >= 1; i--){
      f *= i;
   }
   return f;
}

输出

运行此代码时,将产生以下输出 -

a: 5 
Factorial of a: 120

示例:递归阶乘函数

现在让我们编写一个递归函数来计算给定数字的阶乘。

以下示例使用递归函数计算给定数字的阶乘 -

#include <stdio.h>
#include <math.h>

/* 函数声明 */
int factorial(int i){

   if(i <= 1){
      return 1;
   }
   return i * factorial(i - 1);
}
int main(){
   int a = 5;
   int f = factorial(a);
   
   printf("a: %d 
", a);
   printf("Factorial of a: %d", f);
   return 0;
}

输出

运行代码并检查其输出 −

a: 5 
Factorial of a: 120

当 main() 函数通过传递变量"a"调用 factorial() 函数时,其值存储在"i"中。factorial() 函数会依次调用自身。

每次调用时,"i"的值都会减 1 后乘以先前的值,直到等于 1。当 i 达到 1 时,将参数初始值与 1 之间的所有值的乘积返回给 main() 函数。

使用递归进行二分查找

让我们看另一个示例来理解递归的工作原理。当前的问题是检查给定数字是否存在于数组中。

虽然我们可以使用for循环并比较每个数字来顺序搜索列表中的某个数字,但顺序搜索效率不高,尤其是在列表过长的情况下。

二分搜索算法检查索引"start"是否大于索引"end"。根据变量"mid"的值,再次调用该函数来查找元素。

我们有一个按升序排列的数字列表。然后,我们找到列表的中点,并根据所需数字是小于还是大于中点的数字,将检查范围限制在中点的左侧或右侧。

示例:递归二分查找

以下代码实现了递归二分查找技术 -

#include <stdio.h>

int bSearch(int array[], int start, int end, int element){
   
   if (end >= start){
      
      int mid = start + (end - start ) / 2;
      
      if (array[mid] == element)
         return mid;
      
      if (array[mid] > element)
         return bSearch(array, start, mid-1, element);
         return bSearch(array, mid+1, end, element);
   }
   return -1;
}

int main(void){
   int array[] = {5, 12, 23, 45, 	49, 67, 71, 77, 82};
   int n = 9;
   int element = 67;
   int index = bSearch(array, 0, n-1, element);
   
   if(index == -1 ){
      printf("Element not found in the array ");
   }
   else{
      printf("Element found at index: %d", index);
   }
   return 0;
}

输出

运行代码并检查其输出 −

Element found at index: 5

使用递归生成斐波那契数列

在斐波那契数列中,一个数字是其前两个数字之和。要生成斐波那契数列,第 i 个数字是 i-1 和 i-2 之和。

示例

以下示例使用递归函数生成给定数字的斐波那契数列的前 10 个数字 -

#include <stdio.h>

int fibonacci(int i){

   if(i == 0){
      return 0;
   }
   
   if(i == 1){
      return 1;
   }
   return fibonacci(i-1) + fibonacci(i-2);
}

int main(){
   
   int i;
   
   for (i = 0; i < 10; i++){
      
      printf("%d	
", fibonacci(i));
   
   } 
   return 0;
}

输出

当编译并执行上述代码时,它会产生以下结果 -

0	
1	
1	
2	
3	
5	
8	
13	
21	
34

在程序中实现递归对于初学者来说比较困难。虽然任何迭代过程都可以转换为递归过程,但并非所有递归情况都能轻松地用迭代方式表达。