【算法基础】递归算法 - JAVA

news2025/5/11 21:31:19

一、递归基础

1.1 什么是递归算法

递归算法是一种通过函数调用自身来解决问题的方法。简单来说,就是"自己调用自己"。递归将复杂问题分解为同类的更简单子问题,直到达到易于直接解决的基本情况。

1.2 递归的核心要素

递归算法由两个关键部分组成:

  • 边界条件(终止条件):决定递归何时结束,避免无限递归
  • 递归步骤:函数调用自身处理较小规模的问题

1.3 递归的基本结构

public ReturnType recursiveMethod(Parameters params) {
    // 边界条件(终止条件)
    if (结束条件) {
        return 结束值;
    }
    
    // 递归步骤
    return recursiveMethod(减小规模的参数);
}

1.4 递归的复杂度分析

时间复杂度:递归算法的时间复杂度主要取决于以下因素:

  • 递归调用的次数
  • 每次递归中的非递归操作耗时

递归算法的时间复杂度通常可以用递推关系表示:

  • T(n) = a·T(n/b) + f(n)
    • T(n)是规模为n的问题的时间复杂度
    • a是每次递归调用的次数
    • n/b是子问题的规模
    • f(n)是除递归调用外的操作耗时

空间复杂度:递归算法的空间复杂度考虑两部分:

  • 递归调用栈空间:与递归深度成正比
  • 额外使用的数据结构空间

递归调用的栈空间通常是递归算法空间复杂度的主要部分,对于最大递归深度为D的算法,栈空间复杂度为O(D)。

二、简单递归示例

2.1 计算1到n的和

计算 1+2+3+...+n 的和是理解递归的最佳入门示例。

public class SumExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 计算1到100的和
        System.out.println("1到100的和: " + getSum(100));
    }
    
    // 计算从1到n的和的递归方法
    public static int getSum(int n) {
        // 边界条件:当n为1时,直接返回1
        if (n == 1) {
            return 1;
        }
        
        // 递归步骤:n加上(n-1)的和
        return n + getSum(n - 1);
    }
}
递归执行过程详解

以计算getSum(5)为例,让我们看看递归的具体执行过程:

正向递归调用过程(自顶向下):

  1. 调用getSum(5),因为5 != 1,执行return 5 + getSum(4),暂停等待getSum(4)的结果
  2. 调用getSum(4),因为4 != 1,执行return 4 + getSum(3),暂停等待getSum(3)的结果
  3. 调用getSum(3),因为3 != 1,执行return 3 + getSum(2),暂停等待getSum(2)的结果
  4. 调用getSum(2),因为2 != 1,执行return 2 + getSum(1),暂停等待getSum(1)的结果
  5. 调用getSum(1),满足边界条件n == 1,直接return 1

反向结果返回过程(自底向上):

  1. getSum(1)返回1
  2. getSum(2)继续执行计算2 + 1 = 3,返回3
  3. getSum(3)继续执行计算3 + 3 = 6,返回6
  4. getSum(4)继续执行计算4 + 6 = 10,返回10
  5. getSum(5)继续执行计算5 + 10 = 15,返回15,计算完成

可以看到,递归过程包含两个阶段:

  • 分解阶段:将问题拆解为更小的子问题
  • 回溯阶段:从最简单情况开始,逐层向上计算结果

2.2 计算阶乘

阶乘是另一个简单的递归实例。n的阶乘定义为:n! = n * (n-1) * (n-2) * ... * 2 * 1

public class FactorialExample {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 5;
        System.out.println(n + "的阶乘是: " + factorial(n));
    }
    
    // 计算阶乘的递归方法
    public static int factorial(int n) {
        // 边界条件
        if (n == 0 || n == 1) {
            return 1;
        }
        
        // 递归步骤
        return n * factorial(n - 1);
    }
}
递归执行过程

计算factorial(4)的步骤:

  1. factorial(4)4 * factorial(3)
  2. factorial(3)3 * factorial(2)
  3. factorial(2)2 * factorial(1)
  4. factorial(1) → 返回1(边界条件)
  5. factorial(2)2 * 1 = 2
  6. factorial(3)3 * 2 = 6
  7. factorial(4)4 * 6 = 24

时间复杂度分析

  • 阶乘递归函数的调用次数与输入n成正比
  • 每次函数调用中只有常数级别的操作
  • 总时间复杂度:O(n)

空间复杂度分析

  • 递归深度为n,每层递归使用常数级别的空间
  • 总空间复杂度:O(n)

2.3 斐波那契数列

斐波那契数列是一个经典递归案例,定义为:F(0)=0, F(1)=1, F(n)=F(n-1)+F(n-2) (n≥2)。

public class FibonacciExample {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 7;
        System.out.println("斐波那契数列第" + n + "个数是: " + fibonacci(n));
        
        // 打印斐波那契数列的前10个数
        System.out.print("斐波那契数列前10个数: ");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.print(fibonacci(i) + " ");
        }
    }
    
    // 计算斐波那契数列的递归方法
    public static int fibonacci(int n) {
        // 边界条件
        if (n == 0) {
            return 0;
        }
        if (n == 1) {
            return 1;
        }
        
        // 递归步骤
        return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
    }
}
特别注意

斐波那契数列的简单递归实现存在大量重复计算,效率较低。例如计算fibonacci(5)时,fibonacci(3)会被重复计算多次。这个问题在后面的优化部分会详细讨论。

时间复杂度分析

  • 未优化的递归斐波那契函数时间复杂度为O(2^n)
  • 这是因为每个递归调用会产生两个新的递归调用,形成二叉树结构
  • 树的高度为n,节点总数约为2^n-1

空间复杂度分析

  • 虽然会有大量函数调用,但递归栈的最大深度为n
  • 空间复杂度:O(n)

三、理解递归思维

3.1 递归思维的要点

递归思维的核心是把大问题分解成小问题:

  1. 相信函数能完成任务:假设对于较小规模的输入,函数已经能正确工作
  2. 确保边界情况正确:解决最简单的情况作为起点
  3. 确保递归逐步接近边界:每次递归,问题规模都应该变小

3.2 设计递归函数的步骤

  1. 确定函数的功能和参数:明确函数要完成什么任务,需要哪些参数
  2. 确定边界条件:找到最简单的情况,直接给出答案
  3. 确定递归关系:将原问题分解为更小规模的子问题
  4. 组合子问题结果:如何从子问题的解得到原问题的解

四、递归的实际应用

4.1 二分查找

二分查找是在有序数组中查找特定元素的高效算法,可以使用递归实现。

public class BinarySearchExample {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19};
        int target = 11;
        
        int result = binarySearch(arr, target, 0, arr.length - 1);
        if (result != -1) {
            System.out.println("元素 " + target + " 在索引 " + result + " 处");
        } else {
            System.out.println("元素 " + target + " 不在数组中");
        }
    }
    
    // 递归实现的二分查找
    public static int binarySearch(int[] arr, int target, int left, int right) {
        // 边界条件:如果查找范围无效,返回-1
        if (left > right) {
            return -1;
        }
        
        // 计算中间索引
        int mid = left + (right - left) / 2;
        
        // 找到目标,返回索引
        if (arr[mid] == target) {
            return mid;
        }
        
        // 根据中间值与目标值的比较,递归查找左半部分或右半部分
        if (arr[mid] > target) {
            return binarySearch(arr, target, left, mid - 1);
        } else {
            return binarySearch(arr, target, mid + 1, right);
        }
    }
}
递归过程分析

以查找值11为例:

  1. binarySearch(arr, 11, 0, 9),计算mid=4,arr[4]=9 < 11,递归调用右半部分
  2. binarySearch(arr, 11, 5, 9),计算mid=7,arr[7]=15 > 11,递归调用左半部分
  3. binarySearch(arr, 11, 5, 6),计算mid=5,arr[5]=11 == 11,返回5(找到)

时间复杂度分析

  • 每次递归调用将搜索范围减半
  • 对于长度为n的数组,最多需要log₂n次递归调用
  • 每次递归中的操作是常数级别的
  • 总时间复杂度:O(log n)

空间复杂度分析

  • 递归深度最多为log₂n
  • 每层递归使用常数级别的额外空间
  • 总空间复杂度:O(log n)

4.2 求解全排列

全排列问题是递归的经典应用。给定一组不同的数字,求其所有可能的排列。

public class PermutationExample {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "ABC";
        System.out.println("字符串\"" + str + "\"的全排列:");
        permute(str.toCharArray(), 0, str.length() - 1);
    }
    
    // 生成全排列的递归方法
    public static void permute(char[] arr, int start, int end) {
        // 边界条件:当只剩一个字符时,打印当前排列
        if (start == end) {
            System.out.println(String.valueOf(arr));
            return;
        }
        
        // 递归步骤:固定一个字符,对剩余字符进行全排列
        for (int i = start; i <= end; i++) {
            // 交换字符
            swap(arr, start, i);
            
            // 递归生成其余字符的排列
            permute(arr, start + 1, end);
            
            // 恢复原来的顺序(回溯)
            swap(arr, start, i);
        }
    }
    
    // 交换字符的辅助方法
    private static void swap(char[] arr, int i, int j) {
        char temp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = temp;
    }
}
递归思路解释

以字符串"ABC"为例:

  1. 首先,我们固定第一个位置(索引0)的字符,然后对剩余字符递归生成全排列
    • 固定A:递归处理"BC"的排列
    • 固定B:递归处理"AC"的排列
    • 固定C:递归处理"AB"的排列
  2. 当递归到只剩一个字符时,我们已经生成了一个完整的排列

时间复杂度分析

  • 对于长度为n的字符串,共有n!种排列
  • 每生成一个排列需要O(n)的时间(打印或存储)
  • 总时间复杂度:O(n × n!)

空间复杂度分析

  • 递归深度为n,每层递归使用常数级别的额外空间
  • 如果考虑输出存储,需要O(n × n!)的空间
  • 仅递归调用栈的空间复杂度:O(n)

4.3 汉诺塔问题

汉诺塔是递归的经典问题,它很好地展示了递归如何简化看似复杂的问题。

public class TowerOfHanoiExample {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 3; // 盘子数量
        System.out.println("移动" + n + "个盘子的步骤:");
        moveDisks(n, 'A', 'B', 'C');
    }
    
    // 移动汉诺塔盘子的递归方法
    public static void moveDisks(int n, char source, char auxiliary, char target) {
        // 边界条件:只有一个盘子时,直接从起始柱移到目标柱
        if (n == 1) {
            System.out.println("将盘子1从" + source + "移动到" + target);
            return;
        }
        
        // 递归步骤1:将n-1个盘子从起始柱移到辅助柱
        moveDisks(n - 1, source, target, auxiliary);
        
        // 移动最大的盘子从起始柱到目标柱
        System.out.println("将盘子" + n + "从" + source + "移动到" + target);
        
        // 递归步骤2:将n-1个盘子从辅助柱移到目标柱
        moveDisks(n - 1, auxiliary, source, target);
    }
}
递归思路解释

汉诺塔问题的美妙之处在于利用递归,我们可以将复杂的多盘子问题,分解为更简单的子问题:

  1. 将上面n-1个盘子从起始柱移到辅助柱
  2. 将最底下的盘子从起始柱移到目标柱
  3. 将辅助柱上的n-1个盘子移到目标柱

这里的关键是"相信"递归函数能够正确移动n-1个盘子,这样就能将复杂问题简化。

时间复杂度分析

  • 对于n个盘子,总共需要2^n-1步移动
  • 每层递归产生两个新的递归调用,直到达到基本情况
  • 总时间复杂度:O(2^n)

空间复杂度分析

  • 递归调用的最大深度为n
  • 每层递归使用常数级别的额外空间
  • 总空间复杂度:O(n)

五、递归优化技巧

5.1 记忆化递归(备忘录法)

斐波那契数列的简单递归实现效率很低,因为有大量重复计算。使用记忆化技术可以显著提高效率。

public class MemoizedFibonacci {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 40;
        
        // 比较普通递归和记忆化递归的时间
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("斐波那契(" + n + ") = " + fibonacciMemoized(n));
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("记忆化递归耗时: " + (endTime - startTime) + "毫秒");
    }
    
    // 使用记忆化的斐波那契数列递归方法
    public static long fibonacciMemoized(int n) {
        // 创建备忘录数组,保存计算过的结果
        long[] memo = new long[n + 1];
        return fibHelper(n, memo);
    }
    
    private static long fibHelper(int n, long[] memo) {
        // 边界条件
        if (n <= 1) {
            return n;
        }
        
        // 如果已经计算过,直接返回结果
        if (memo[n] != 0) {
            return memo[n];
        }
        
        // 递归计算并保存结果
        memo[n] = fibHelper(n - 1, memo) + fibHelper(n - 2, memo);
        return memo[n];
    }
}

记忆化递归的关键思想

  • 用数组或HashMap存储已计算的值
  • 每次函数调用前先检查是否已计算
  • 只计算未知结果并保存

复杂度优化分析

  • 时间复杂度:从指数级O(2^n)降低到线性O(n)
    • 每个斐波那契数只计算一次
    • 总共计算n+1个数,每次计算是常数时间
  • 空间复杂度:O(n)
    • 需要额外的长度为n+1的数组存储计算结果
    • 递归调用栈深度为O(n)

5.2 尾递归优化

尾递归是一种特殊的递归形式,它在函数返回时不做额外计算,直接返回递归调用的结果。这种形式更容易被编译器优化。

以阶乘计算为例:

public class TailRecursionExample {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 5;
        System.out.println(n + "的阶乘: " + factorial(n));
        System.out.println(n + "的阶乘(尾递归): " + factorialTail(n, 1));
    }
    
    // 普通递归实现阶乘
    public static int factorial(int n) {
        if (n <= 1) {
            return 1;
        }
        return n * factorial(n - 1);  // 在递归调用后还需要乘以n
    }
    
    // 尾递归实现阶乘
    public static int factorialTail(int n, int result) {
        if (n <= 1) {
            return result;
        }
        return factorialTail(n - 1, n * result);  // 直接返回递归调用的结果
    }
}

尾递归的特点

  • 递归调用是函数的最后一个操作
  • 递归调用的返回值直接作为函数的返回值
  • 不需要额外的计算或状态保存

注意:虽然Java不会自动优化尾递归,但理解尾递归仍有助于编写更高效的代码,尤其是在支持尾递归优化的语言中。

5.3 避免重复计算

在一些递归算法中,避免重复计算是提高效率的关键。以下是几种常见技巧:

  1. 使用缓存:与记忆化类似,保存中间结果
  2. 参数传递:通过参数传递已计算的信息,避免重复计算
  3. 状态记录:使用额外变量记录状态,避免重复检查

六、递归的常见陷阱与解决方法

6.1 无限递归

如果忘记设置正确的终止条件,或递归时参数未正确减小,可能导致无限递归,最终导致栈溢出。

解决方法

  • 确保每次递归都朝着终止条件推进
  • 检查边界条件是否全面且正确
  • 考虑添加最大递归深度限制

6.2 栈溢出

递归层数过多会导致栈溢出(StackOverflowError)。

解决方法

  • 优化递归算法,减少递归深度
  • 将递归转换为迭代
  • 使用尾递归优化(在支持的语言中)
  • 增大JVM栈大小(-Xss参数)

6.3 重复递归调用

在某些算法中,同一参数的递归调用可能被多次执行,导致不必要的计算。

解决方法

  • 使用记忆化技术(备忘录模式)
  • 优化算法结构,避免重复调用
  • 考虑使用自底向上的迭代方法

七、递归转迭代

有时,递归算法可能面临效率或栈空间限制,此时可以考虑将递归转换为迭代。

7.1 斐波那契数列的迭代实现

public static long fibonacciIterative(int n) {
    if (n <= 1) {
        return n;
    }
    
    long fib = 0;
    long prev1 = 1;
    long prev2 = 0;
    
    for (int i = 2; i <= n; i++) {
        fib = prev1 + prev2;
        prev2 = prev1;
        prev1 = fib;
    }
    
    return fib;
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n) - 只需一次遍历
  • 空间复杂度:O(1) - 只使用了常数个变量

7.2 阶乘的迭代实现

public static int factorialIterative(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; i++) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n) - 需要n-1次乘法运算
  • 空间复杂度:O(1) - 只使用了常数个变量

递归转迭代的一般思路

  1. 使用栈或其他数据结构模拟递归过程
  2. 找出算法中的状态变量
  3. 通过循环代替递归调用
  4. 手动管理状态变更

转换后的优势

  • 避免栈溢出风险
  • 降低函数调用开销
  • 通常具有更低的空间复杂度
  • 在某些情况下可提高执行速度

八、总结

8.1 递归的核心要点

  • 分而治之:将大问题分解为相似的小问题
  • 边界条件:解决最基本情况的方法
  • 递归关系:大问题与小问题之间的联系

8.2 何时使用递归

适合使用递归的情况:

  • 问题可以自然地分解为相似的子问题
  • 问题的规模会逐渐减小
  • 数据结构具有递归性质(如树、图)
  • 代码简洁度比极限性能更重要

不适合使用递归的情况:

  • 递归深度可能非常大
  • 对执行效率有严格要求
  • 问题可以简单地用迭代解决

8.3 递归思维的价值

掌握递归思维不仅是掌握一种编程技巧,更是一种解决问题的思路:

  • 学会将复杂问题分解
  • 培养"相信函数能工作"的思维方式
  • 理解如何从子问题构建完整解决方案

递归是算法设计中的强大工具,掌握它将帮助你解决许多看似复杂的问题。通过从简单例子开始,逐步理解递归的核心概念,再结合优化技巧,你将能够写出既高效又优雅的递归算法。

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在配置运行llama-factory&#xff0c;环境问题后显示环境问题。这边给大家附上连接&#xff0c;我们的是liunx环境但是还是一样的。大家也记得先配置虚拟环境。 LLaMA-Factory部署以及微调大模型_llamafactory微调大模型-CSDN博客 之后大家看看遇到的问题是不是我这样。 AI搜索…

Spring Boot + Vue 实现在线视频教育平台

一、项目技术选型 前端技术&#xff1a; HTML CSS JavaScript Vue.js 前端框架 后端技术&#xff1a; Spring Boot 轻量级后端框架 MyBatis 持久层框架 数据库&#xff1a; MySQL 5.x / 8.0 开发环境&#xff1a; IDE&#xff1a;Eclipse / IntelliJ IDEA JDK&…

使用Jmeter进行核心API压力测试

最近公司有发布会&#xff0c;需要对全链路比较核心的API的进行压测&#xff0c;今天正好分享下压测软件Jmeter的使用。 一、什么是Jmeter? JMeter 是 Apache 旗下的基于 Java 的开源性能测试工具。最初被设计用于 Web 应用测试&#xff0c;现已扩展到可测试多种不同的应用程…

JavaScript中数组和对象不同遍历方法的顺序规则

在JavaScript中&#xff0c;不同遍历方法的顺序规则和适用场景存在显著差异。以下是主要方法的遍历顺序总结&#xff1a; 一、数组遍历方法 for循环 • 严格按数组索引顺序遍历&#xff08;0 → length-1&#xff09; • 支持break和continue中断循环 • 性能最优&#xff0c;…

redis----通用命令

文章目录 前言一、运行redis二、help [command]三、通用命令 前言 提示&#xff1a;这里可以添加本文要记录的大概内容&#xff1a; 学习一些通用命令 以下操作在windows中演示 提示&#xff1a;以下是本篇文章正文内容&#xff0c;下面案例可供参考 一、运行redis 我们先c…

IntelliJ IDEA 保姆级使用教程

文章目录 一、创建项目二、创建模块三、创建包四、创建类五、编写代码六、运行代码注意 七、IDEA 常见设置1、主题2、字体3、背景色 八、IDEA 常用快捷键九、IDEA 常见操作9.1、类操作9.1.1、删除类文件9.1.2、修改类名称注意 9.2、模块操作9.2.1、修改模块名快速查看 9.2.2、导…

Comfyui 与 SDwebui

ComfyUI和SD WebUI是基于Stable Diffusion模型的两种不同用户界面工具&#xff0c;它们在功能、用户体验和适用场景上各有优劣。 1. 功能与灵活性 ComfyUI&#xff1a;ComfyUI以其节点式工作流设计为核心&#xff0c;强调用户自定义和灵活性。用户可以通过连接不同的模块&…

WiseAD:基于视觉-语言模型的知识增强型端到端自动驾驶——论文阅读

《WiseAD: Knowledge Augmented End-to-End Autonomous Driving with Vision-Language Model》2024年12月发表&#xff0c;来自新加坡国立和浙大的论文。 在快速发展的视觉语言模型&#xff08;VLM&#xff09;中&#xff0c;一般人类知识和令人印象深刻的逻辑推理能力的出现&a…

探索SQLMesh中的Jinja宏:提升SQL查询的灵活性与复用性

在数据工程和数据分析领域&#xff0c;SQL是不可或缺的工具。随着项目复杂度的增加&#xff0c;如何高效地管理和复用SQL代码成为了一个重要课题。SQLMesh作为一款强大的工具&#xff0c;不仅支持标准的SQL语法&#xff0c;还引入了Jinja模板引擎的宏功能&#xff0c;极大地提升…

对Redis组件的深入探讨

目录 1、磁盘和内存 1.1、概念 1.2、区别 1.3、联系 2、redis基本特性 2.1、数据结构 2.2、性能 2.3、事件驱动架构 2.4、原子性 3、redis模型 3.1、单线程 3.2、事件驱动模型 3.3、epoll多路复用 4、数据持久化 4.1、RDB快照 4.2、AOF&#xff08;Append Only…

Uni-app 组件使用

在前端开发领域&#xff0c;能够高效地创建跨平台应用是开发者们一直追求的目标。Uni-app 凭借其 “一次开发&#xff0c;多端部署” 的特性&#xff0c;成为了众多开发者的首选框架。而组件作为 Uni-app 开发的基础单元&#xff0c;合理运用组件能够极大地提升开发效率和代码的…