C++ 关于 recursion 的一个小问题

[AkideLiu]

题目：

Consider the following recursive function:

int recur(int n) {
  if (n < 3)
    return 1;
  return recur(n-1) * recur(n-2) * recur(n-3);
}

if memoisation is applied and recur(n-1) is calculated and stored before calculating recur(n-2) and recur(n-3), for the call recur(6), how many calls will be made to recur()?

我的解法这样的：

int count_x = 0;

unordered_map<int,int> map_x;

int recur(int n) {
    count_x++;
    if (n < 3)
        return 1;

    // cout << n << endl;
    if (map_x.find(n) != map_x.end()) {
        return map_x[n];
    }
    map_x[n] = recur(n-1) * recur(n-2) * recur(n-3);
    return map_x[n];
}


TEST(test, recur) {
    cout << recur(6) << endl;
    cout << count_x << endl;
}

输出结果是：

1
13

现在明确题目的答案不是 13，我这么验证哪里存在问题吗

[wutiantong]

答案是 7 么（包括 recur(6)本身）

[AkideLiu]

@wutiantong 是的！请问为什么呢？

[wutiantong]

@AkideLiu 你那个解法的代码里 count_x 的计算没尊重 memoisation 呀

[jorneyr]

map_x[0], map_x[1], map_x[2] 先放到 map 里

[hitmanx]

“if memoisation is applied and recur(n-1) is calculated and stored before calculating recur(n-2) and recur(n-3)”

没太搞懂,如果答案是 7，是不是 recur(0) - recur(6)各计算一次？这样的话得按照从小到大进行计算与储存，即 recur(n-3) => recur(n-2) => recur(n-1)。
但是题目里写的是先储存 recur(n-1)，那岂不是 recur(n-3)和 recur(n-2)的结果会被重复计算？这样答案为何还是 7 ？

[AkideLiu]

@wutiantong count_x 在最上面啊，每次 recur function 被 call 都会+1，这个计算方式不适用于 memoisation 吗？

[jorneyr]

答案是 7 的话，执行前明显先把 3 的解也存储起来了:
6 > 5, 4, 3
5 > 4, 3, 2
4 > 3, 2, 1
3 直接查，为 1 次
4 为 3, 2, 1: 都是直接查，为 3 次
5 为 4, 3, 2: 因为上面 4 已经存储，也是直接查, 为 3 次

当然，程序还可以优化为先找相对小的递归的解，这样大的问题就能从小的问题中直接查询答案:
map_x[n] = recur(n-3) * recur(n-1) * recur(n-1);

[wutiantong]

@AkideLiu memoisation 的意义不就是减少原始调用么？所以在你的代码里，当从 map 中返回值时（相当于 memoisation ），就不应该再算作是调用次数了。

[wutiantong]

@hitmanx 那句话是在说 recur(n-1) * recur(n-2) * recur(n-3) 这个表达式中 recur(n-1) 被确保先于后两者求值。在 C++中，同个表达式内的求值顺序通常是不确定的。

[AkideLiu]

@wutiantong @jorneyr 太感谢了！恍然大悟！

这样子输出是 7 ！！！

```c++

int count_x = 0;

unordered_map<int,int> map_x;

int recur(int n) {
// cout << n << endl;
if (map_x.find(n) != map_x.end()) {
return map_x[n];
}

count_x++;
if (n < 3){
map_x[n] = 1;
return 1;

}


map_x[n] = recur(n-1) * recur(n-2) * recur(n-3);
return map_x[n];
}


TEST(test, recur) {

cout << recur(6) << endl;
cout << count_x << endl;
}

```

[monkeyNik]

对本次调用你查表，但你没在内部递归调用前对每个子调用查表，导致你多了一些函数调用。
至于次数，6 、5 、4 、3 、2 、1 、0，每一个都算一遍并缓存，闭着眼睛也是 7 次。

[lesismal]

简单直接的判断方法：
3 为临界值，n=3 时最多向下 n-1/n-2/n-3，即 recur 最小的参数 n 为 0 ；
每个 n 对应的值都进行记忆的前提下，每个 n 只需要调用一次 recur ；
首次调用 recur(6)，则整个过程需要对 0-6 挨个计算、记忆，所以是 7 次（不管小于 3 的参数是否记忆，当 n=3/4/5 时 n 也被缓存过、不会被重复调用，所以小于 3 的也不会被重复调用）。
可以类推首次调用大于等于 3 和小于 3 的次数

[jorneyr]

只要进入 recur 就算一次递归调用吧，不管是查表还是继续递归计算。
也就是 recur 被调用的次数。

[AkideLiu]

@jorneyr 不得不承认，题目确实不严谨。如果结果是 7 的话问题可以问题成 how many times of recur function actually computed 。我的理解是 return memo 就不算是 computed, 而是 cache，但是依然会有 function be called 。

[FACEB00K]

换种写法
```cpp
int count_x = 0;

unordered_map<int,int> map_x;

int recur(int n) {
count_x++;

if (map_x.find(n) != map_x.end()) {
return map_x[n];
}

if (n < 3) {
map_x[n] = 1;
return map_x[n];
}

int next_1 = (map_x.find(n-1) == map_x.end()) ? recur(n-1) : map_x[n-1];
int next_2 = (map_x.find(n-2) == map_x.end()) ? recur(n-2) : map_x[n-2];
int next_3 = (map_x.find(n-3) == map_x.end()) ? recur(n-3) : map_x[n-3];

map_x[n] = next_1 * next_2 * next_3;
return map_x[n];
}
```

[LigeLaige]

顺着 lz 思路，修改如下
```cpp
int recur(int n) {
if (map_x.find(n) != map_x.end()) {
return map_x[n];
}
count_x++;
if (n < 3) {
map_x[n] = 1;
} else {
map_x[n] = recur(n-1) * recur(n-2) * recur(n-3);
}
return map_x[n];
}
```

[LigeLaige]

<code>
int recur(int n) {
if (map_x.find(n) != map_x.end()) {
return map_x[n];
}
count_x++;
if (n < 3) {
map_x[n] = 1;
} else {
map_x[n] = recur(n-1) * recur(n-2) * recur(n-3);
}
return map_x[n];
}
</code>

[hitmanx]

@wutiantong 好吧，谢谢解释。原来是这个意思。
不过，如果是指这一行内的求值顺序的话，题目为啥要特意强调一下？除非这个顺序对于这个题目的答案(total # of recur() invoked)会有影响，但是基于 memoisation 的话两者应该一样？还是我忽略了啥

即
// 1)
auto n_3 = recur(n-3);
auto n_2 = recur(n-2);
auto n_1 = recur(n-1);
return n_3 + n_2 + n1;

2)
auto n_1 = recur(n-1);
auto n_2 = recur(n-2);
auto n_3 = recur(n-3);
return n_1 + n_2 + n3;

[hitmanx]

@AkideLiu 这个取决于你的 cache lookup op 是在 caller side 还是 callee side~

像 15 楼一样，放在 caller side 的话，就会实质上而不是概念上减少 recur 调用的数量。

[no1xsyzy]

@AkideLiu @hitmanx cache lookup 也可能是在 callee wrapper
比如 Python 可以直接拿 functools.lru_cache() 修饰符，SICP 3.5 也随便地写了一个 memo-proc
这提倡了一种正交性。

[wutiantong]

@hitmanx 如果有并行求值的情况呢？

[bibitiger]

题目本身不严谨，我觉得应该说明是最少调用次数。
如果是最少调用次数的话，那应该在 caller 的时候对 recur(n-1)，recur(n-2)，recur(n-3)也进行查表，这样就不会进入 recur()。
而要得出 f(n-1),必然会得到 f(n-2),f(n-3)...f(n-n), 所以 f(n)对于 f()的调用必然等于 n+1 。

int count_x = 0;

unordered_map<int,int> map_x;

int recur(int n) {
count_x++;

if (map_x.find(n) != map_x.end()) {
return map_x[n];
}

if (n < 3){
map_x[n] = 1;
return 1;
}


int temp_n1 = map_x.find(n-1) == map_x.end()?recur(n-1) :map_x[n-1];
int temp_n2 = map_x.find(n-2) == map_x.end()?recur(n-2) :map_x[n-2];
int temp_n3 = map_x.find(n-3) == map_x.end()?recur(n-3) :map_x[n-3];

map_x[n] = temp_n1*temp_n2*temp_n3;

return map_x[n];
}