递归比迭代快

Question

我在 C# 中实现了一个四叉树，并且遇到了一个奇怪的情况，即递归似乎比迭代执行得更好，尽管看起来应该相反。

我的节点如下所示：

class QuadNode
{
    private QuadNode topLeft;
    private QuadNode topRight;
    private QuadNode bottomRight;
    private QuadNode bottomLeft;
    // other fields...
}

为了遍历树，我使用了以下递归方法，我在根节点上调用它：

Traverse()
{
    // visit 'this'

    if (topLeft != null)
        topLeft.Traverse();
    if (topRight != null)
        topRight.Traverse();
    if (bottomRight != null)
        bottomRight.Traverse();
    if (bottomLeft != null)
        bottomLeft.Traverse();
}

主要是出于兴趣，我尝试创建一种遍历树的迭代方法。

我向每个节点添加了以下字段：private QuadNode next，当我创建树时，我使用队列执行广度优先遍历，将每个节点的 next 字段链接到行中的下一个节点。本质上，我从树的节点创建了一个单链表。
此时我可以使用以下方法遍历树：

Traverse()
{
    QuadNode node = this;
    while (node != null)
    {
        // visit node

        node = node.next;
    }
}

在测试了每种方法的性能后，我很惊讶地发现迭代版本始终比递归版本慢得多。我已经在大树和小树上进行了测试，递归方法总是更快。 （我使用 aStopwatch 进行基准测试）
我已经确认这两种方法都成功遍历了整个树，并且迭代版本只按计划访问每个节点一次，所以它不是它们之间的链接有问题。

在我看来，迭代版本的性能似乎很明显......这可能是什么原因？我是否忽略了为什么递归版本更快的一些明显原因？

_{我正在使用 Visual Studio 2012 并在 Release 下编译，任何 CPU（首选 32 位未选中）。}

编辑：
我打开了一个新项目并创建了一个简单的测试，它也证实了我的结果。
以下是完整代码：http://pastebin.com/SwAsTMjQ
代码没有注释，但我认为它是非常自我记录的。

Answer 1

缓存局部性正在扼杀速度。试试：

public void LinkNodes()
{
    var queue = new Queue<QuadNode>();
    LinkNodes(queue);

    QuadNode curr = this;

    foreach (var item in queue)
    {
        curr.next = item;
        curr = item;
    }
}

public void LinkNodes(Queue<QuadNode> queue)
{
    queue.Enqueue(this);

    if (topLeft != null)
        topLeft.LinkNodes(queue);
    if (topRight != null)
        topRight.LinkNodes(queue);
    if (bottomRight != null)
        bottomRight.LinkNodes(queue);
    if (bottomLeft != null)
        bottomLeft.LinkNodes(queue);
}

现在迭代版本应该比递归版本快 30/40%。

缓慢的原因是您的迭代算法将采用广度优先而不是深度优先。您创建了元素深度优先，因此它们在内存中按深度优先排序。我的算法创建了深度优先遍历列表。

（请注意，我在 LinkNodes() 中使用了 Queue 以使其更容易理解，但实际上你可以不这样做）

public QuadNode LinkNodes(QuadNode prev = null)
{
    if (prev != null)
    {
        prev.next = this;
    }

    QuadNode curr = this;

    if (topLeft != null)
        curr = topLeft.LinkNodes(curr);

    if (topRight != null)
        curr = topRight.LinkNodes(curr);

    if (bottomRight != null)
        curr = bottomRight.LinkNodes(curr);

    if (bottomLeft != null)
        curr = bottomLeft.LinkNodes(curr);

    return curr;
}

Answer 2

查看您的代码，这两种方法似乎工作相同，但是在递归方法中，您在“循环”中访问 4 个节点，这意味着您不会在 3 个测试之间“跳转”，而在迭代中您“跳转” " 到每次运行循环的开头。 我想说，如果您想看到几乎相似的行为，您必须将迭代循环展开为：​​

Traverse(int depth)
{
    QuadNode node = this;
    while (node != null)
    {
        // visit node

        node = node.next;
        if (node!=null) node=node.next;
        if (node!=null) node=node.next;
        if (node!=null) node=node.next;

    }
}