Wer mit funktionalen Programmierern über die Programmierung an sich diskutiert, wird früher oder oder später auf das Thema proper tail calls bzw. im deutschen Endrekursion stoßen. Funktionale Programmierer halten dieses Feature bei der Programmierung mit einer Selbstverständlichkeit für unerlässlich, die Vertreter anderer Sprachen oft als fanatisch empfinden.

Tatsächlich ist Endrekursion in der funktionalen Programmierung von zentraler Bedeutung. Jedoch sollte sie objektorientierten Programmierern eigentlich noch wichtiger sein.

Was ist Endrekursion?

Das Tolle an Funktionsaufrufen ist, dass sie geschachtelt werden können. Hier ein Beispiel in Scheme:

(define (f x)
  (+ (g x) 15))

Uns interessiert der Aufruf von g in diesem Beispiel - dieser hat sogenannten Kontext, nämlich die Addition von 15. Anders gesagt: wenn der Aufruf von g fertig ist, so ist f noch nicht fertig - f muss noch 15 auf das Ergebnis addieren.

Die meisten Programmierer haben für die Auswertung eines Aufrufs von f ein mentales Modell, das auf einem Stack basiert: Bevor die Maschine, die f ausführt, zur Ausführung von g übergeht, sichert sie auf dem Stack eine Rücksprungadresse zu dem Code, der die 15 addiert. Zusammen mit dieser Rücksprungadresse werden unter Umständen noch die Werte lokaler Variablen zu einem Aktivierungsblock (oder „Stack-Frame“) kombiniert. (Der funktionale Programmierer spricht gern von Continuation.) Die Maschine springt die Rücksprungadresse an, sobald die Arbeit von g erledigt ist.

Damit ist klar: Ein Funktionsaufruf benötigt zur Laufzeit Platz. In vielen Implementierungen von Programmiersprachen befindet sich dieser Platz auf einem Stack, für den oft nur sehr begrenzter Platz zur Verfügung steht.

Was aber ist mit diesem Programm?

(define (f1 x)
  (g x))

Hier hat der Aufruf von g keinen Kontext. Wenn also g fertig ist, dann besteht der Code an der Rücksprungadresse selbst nur aus einem Sprung zur Rücksprungadresse des Aufrufs von f1, ist also trivial. Das lässt sich demnach „optimieren“: Anstatt dass beim Aufruf von g eine neue triviale Continuation angelegt wird, könnte die Maschine diese gar nicht erst anlegen und so dafür sorgen, dass, wenn g fertig ist, die Maschine direkt zur Continuation des Aufrufs von f1 zurückspringt. (Ganz so einfach ist es nicht, da im Aktivierungsblock noch lokale Variablen stehen, deren Platz wiederverwendet werden muss, aber das Prinzip stimmt.)

Aufrufe wie der von g in f1 - die keinen Kontext haben - heißen tail calls. („Tail“, da sie gewissermaßen den Schwanz der umschließenden Funktion bilden.) Im Deutschen hat sich leider noch kein griffiger Begriff dafür durchsetzen können. Wenn bei einem tail call keine neue neue Continuation angelegt wird, spricht man von einem proper tail call. Programmiersprachen, die alle tail calls als proper tail calls behandeln, heißen properly tail-recursive bzw. unterstützen Endrekursion.
In der Programmiersprache Scheme ist Endrekursion die fundamentale Eigenschaft.

Ob ein Funktionsaufruf ein tail call ist, ist eine syntaktische Eigenschaft des Kontextes des Aufrufs. Hier ist zum Beispiel die Definition dafür im Scheme-Standard.

In Programmiersprachen wie Scheme ist die Endrekursion keine Optimierung - zumindest nicht in dem Sinne, dass eine Optimierung ein Programm nur verbessert, aber sein Verhalten nicht grundlegend verändert. Wenn die Endrekursion vom Sprachstandard garantiert wird, verlassen sich Programmierer darauf. Würde sie entfernt, liefen viele Programme nicht mehr bzw. nicht besonders lange. Neben Scheme sind auch F# und Lua endrekursiv; Endrekursion für JavaScript ist hoffentlich auch nicht mehr weit.

Endrekursion in der funktionalen Programmierung

Endrekursion ist in der funktionalen Programmierung alltäglich. Hier ist eine einfache endrekursive Funktion in Scheme, welche die Summe einer Liste bildet:

(define (list-sum lis)
  (list-sum-helper lis 0))
  
(define (list-sum-helper lis sum)
  (cond
    ((null? lis) sum)
    ((pair? lis)
	 (list-sum-helper (cdr lis)
	                  (+ sum (car lis))))))

Der rekursive Aufruf von list-sum-helper ist ein tail call und Scheme garantiert, dass er als proper tail call ausgeführt wird. (Compiler für funktionale Sprachen machen daraus in der Regel einen einfachen Sprung.)< Das heißt, dass, egal wie lang die Liste ist, nicht unbegrenzt Continuations angelegt werden und den Speicher vollmachen. Würde Scheme nicht Endrekursion unterstützen, müsste die Programmiererin befürchten, dass bei langen Listen der Speicher überläuft. Obwohl proper tail calls erstmal nicht notwendigerweise rekursiv sind, kommt dieser positive Aspekt vor allem rekursiven Aufrufen zugute.

Ein etwas ausführlicheres Beispiel für eine endrekursive Funktion findet sich im Posting von Andreas Bernauer.

In traditionellen Sprachen kommen für Funktionen wie list-sum vornehmlich Schleifenkonstrukte wie while oder for zum Einsatz. Diese haben aber fast alle ein fundamentales Designproblem: Sie lassen sich nur imperativ benutzen - die Kommunikation zwischen aufeinanderfolgenden Schleifendurchläufen sowie aus der Schleife heraus geht nur mit Zuweisungen, und auf diese verzichten funktionale Programmierer bekanntermaßen, wenn irgendmöglich.

Das muss allerdings nicht sein: Viele Scheme-Implementierungen erlauben beispielsweise (wegen der Unterstützung von First-Class-Continuations), unbegrenzt viele Continuations anzulegen, ohne also durch einen unterdimensionierten Stack beschränkt zu sein.

Trotzdem ist die Endrekursion von zentraler Bedeutung, da einige Programmiertechniken nur damit funktionieren. Hier einige Beispiele:

In Erlang werden Prozesse in der Regel als endrekursive Funktionen implementiert, die potenziell unendlich lang laufen. Da hilft auch nicht, wenn der „Stack“ den ganzen Speicher füllen darf.
Automaten lassen sich mit Endrekursion deutlich eleganter implementieren als mit Schleifen.
In Erlang wird Endrekursion oft benutzt, um Hot Code Swapping zu implementieren.

Endrekursion in der objektorientierten Programmierung

In der objektorientierten Programmierung ist Endrekursion mindestens ebenso relevant:

Die objektorientierten Programmierung basiert ja eigentlich auf dem Paradigma des Message-Passing, bei dem die Programmausführung im wesentlichen daraus besteht, dass sich Objekte gegenseitig Nachrichten schicken, die dann beim jeweiligen Zielobjekt mit Hilfe des objektorientierten Dispatch zur Ausführung einer Methode führen. Wenn die Programmiersprache nicht endrekursiv ist - jedes Versenden einer Nachricht kostet also Speicherplatz - so sind alle Nachrichtenketten in ihrer Länge beschränkt.

Dies führt dazu, dass in den meisten OOP-Sprachen zentrale Konstrukte gerade nicht objektorientiert sind: So haben sich spezialisierte Schleifenkonstruke wie while und for in vielen OO-Sprachen gehalten. Diese funktionieren allesamt nicht über Methodendispatch sondern sind traditionelle imperative Konstrukte.

Dies ist umso deprimierender, weil es eigentlich einschlägige OO-Patterns wie das Visitor-Pattern gibt. Das Visitor-Pattern ist aber gerade in Sprachen ohne Endrekursion oft nur eingeschränkt verwendbar und fristet deshalb in vielen Pattern-Handbüchern nur ein (unverdientes) Mauerblümchen-Dasein.

Ausführlichere Betrachtungen zu diesem Thema finden sich in Guy Steeles Blog-Post.

Die JVM und die Endrekursion

Die JVM ist ein Paradebeispiel dafür, welche Chancen für sauberes Programmiersprachendesign vertan werden, wenn die Maschine keine Endrekursion unterstützt.

Die JVM kombiniert dabei gleich zwei Probleme: Sie unterstützt keine Endrekursion und JVM-Stacks sind in der Regel in der Größe stark beschränkt, so dass schon kleinere Datenstrukturen, die mit Methodenaufrufen durchlaufen werden, zu stack overflows führen.

Entsprechend müssen alle JVM-Sprachen, die mit anderen JVM-Programmen interoperabel bleiben wollen, spezielle Konstrukte für Schleifen anbieten.

Scala erlaubt immerhin lokale tail calls durch die tailrec-Annotation. Das reicht aber nicht für alle Probleme. Clojure lässt das Schleifenkonstrukt so aussehen, als würde es durch Funktionsaufrufe funktionieren. Die grundlegenden Probleme bleiben also.

Andere Einschränkungen der JVM verbünden sich mit der fehlenden Unterstützung für Endrekursion: So dürfen zum Beispiel Methoden nur 64k groß werden. Beim Inlining der der Verwendung von Makros entstehen aber gelegntlich größere Methoden. Es ist zwar möglich, eine zu große Methode in mehrere kleinere zu splitten, das funktioniert aber nur unter bestimmten Bedingungen, da für den Kontrolltransfer zwischen den Teilen wiederum nur nicht-endrekursive Methodenaufrufe zur Verfügung stehen.

Es wird also höchste Zeit, dass sich Oracle des Problems annimmt. Wie das technisch geht, ist schon lange bekannt.

Das Argument mit dem Stacktrace

Forderungen nach Endrekursion gibt es in vielen Sprachen, stoßen aber leider oft auf Unverständnis. Ein viel beachtetes Posting von Guido van Rossum argumentiert, warum Python nicht endrekursiv ist. Dabei stellt van Rossum spektakuläres technisches Unverständnis zur Schau: Während er verstanden hat, dass Endrekursion nicht als bloße optionale Optimierung taugt, argumentiert er, dass „TRE is incompatible with nice stack traces“ ist. (TRE = „tail recursion elimination“, eine andere Bezeichnung für Endrekursion.)

Eine naive Implementierung von Endrekursion garantiert in der Tat für tail calls die Abwesenheit von Aktivierungsblöcken, die damit auch nicht im Stack-Trace auftauchen. Dort wären sie allerdings unter Umständen beim Debuggen hilfreich. Allerdings vergisst er anzumerken, dass die Schleifenkonstrukte in Python, die statt tail calls verwendet werden müssen, ebenfalls keine Aktivierungsblöcke generieren. Wenn ihm Stack-Traces wichtig wären, könnte er einfach einen größenbeschränkten Ringpuffer für die letzten N Aktivierungsblöcke anlegen, welche damit sogar noch mehr Information liefern würden als Pythons jetzige Implementierung. Dies würde die gleichen Speichereigenschaften haben wie die naive Implementierung - zumindest asymptotisch, und das zählt in diesem Fall.

Fazit

Endrekursion ist von zentraler Bedeutung in der Definition einer Programmiersprache - ob funktional oder objektorientiert.

Tail Calls