为什么我的递归Fibonacci实现与迭代实现相比如此之慢？

Posted 2021-03-30

我创建了以下简单的Fibonacci实现：

#![feature(test)]
extern crate test;

pub fn fibonacci_recursive(n: u32) -> u32 {
    match n {
        0 => 0,
        1 => 1,
        _ => fibonacci_recursive(n - 1) + fibonacci_recursive(n - 2)
    }
}

pub fn fibonacci_imperative(n: u32) -> u32 {
    match n {
        0 => 0,
        1 => 1,
        _ => {
            let mut penultimate;
            let mut last = 1;
            let mut fib = 0;
            for _ in 0..n {
                penultimate = last;
                last = fib;
                fib = penultimate + last;
            }
            fib
        }
    }
}

我创建它们来试用cargo bench，所以我写了以下基准：

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use test::Bencher;

    #[bench]
    fn bench_fibonacci_recursive(b: &mut Bencher) {
        b.iter(|| {
            let n = test::black_box(20);
            fibonacci_recursive(n)
        });
    }

    #[bench]
    fn bench_fibonacci_imperative(b: &mut Bencher) {
        b.iter(|| {
            let n = test::black_box(20);
            fibonacci_imperative(n)
        });
    }
}

我知道递归实现通常比命令式实现慢，特别是因为Rust不支持尾递归优化（这种实现无论如何都不能使用）。但我没想到近2 000次以下差异：

running 2 tests
test tests::bench_fibonacci_imperative ... bench:          15 ns/iter (+/- 3)
test tests::bench_fibonacci_recursive  ... bench:      28,435 ns/iter (+/- 1,114)

我在Windows和Ubuntu上使用最新的Rust nightly编译器（rustc 1.25.0-nightly）运行它并获得了类似的结果。

这种速度差异是否正常？我写了一些“错误的”吗？或者我的基准有缺陷吗？

答案

正如Shepmaster所说，你应该使用累加器来保留先前计算的fib(n - 1)和fib(n - 2)，否则你会继续计算相同的值：

pub fn fibonacci_recursive(n: u32) -> u32 {
    fn inner(n: u32, penultimate: u32, last: u32) -> u32 {
        match n {
            0 => penultimate,
            1 => last,
            _ => inner(n - 1, last, penultimate + last),
        }
    }
    inner(n, 0, 1)
}

fn main() {
    assert_eq!(fibonacci_recursive(0), 0);
    assert_eq!(fibonacci_recursive(1), 1);
    assert_eq!(fibonacci_recursive(2), 1);
    assert_eq!(fibonacci_recursive(20), 6765);
}

last相当于fib(n - 1)。 penultimate相当于fib(n - 2)。

另一答案

两种实现之间的算法复杂性不同：

• 你的迭代实现使用累加器：O（N），
• 你的递归实现不是：O（1.6N）。

从20（N）<< 12089（1.6N）开始，有很大差异是很正常的。

请参阅this answer，了解天真实现案例中复杂性的精确计算。

注意：用于迭代情况的方法称为dynamic programming。