Давайте возьмём конкретный пример и посмотрим, как всё это работает. Итак, у нас есть список [2,5,1]. Если мы вызовем функцию maximum' с этим значением, первые два образца не подойдут. Третий подойдёт – список разобьётся на 2 и [5,1]. Теперь мы заново вызываем функцию с параметром [5,1]. Снова подходит третий образец, список разбивается на 5 и [1]. Вызываем функцию для [1]. На сей раз подходит второй образец – возвращается 1. Наконец-то! Отходим на один шаг назад, вычисляем максимум 5 и наибольшего элемента [1] (он равен 1), получаем 5. Теперь мы знаем, что максимум [5,1] равен 5. Отступаем ещё на один шаг назад – там, где у нас было 2 и [5,1]. Находим максимум 2 и 5, получаем 5. Таким образом, наибольший элемент [2,5,1] равен 5.
Теперь, когда мы знаем основы рекурсивного мышления, давайте напишем несколько функций, применяя рекурсию. Как и maximum, эти функции в Haskell уже есть, но мы собираемся создать свои собственные версии, чтобы, так сказать, прокачать рекурсивные группы мышц.
Для начала реализуем функцию replicate. Функция replicate берёт целое число (типа Int) и некоторый элемент и возвращает список, который содержит несколько повторений заданного элемента. Например, replicate 3 5 вернёт список [5,5,5]. Давайте обдумаем базовые случаи. Сразу ясно, что возвращать, если число повторений равно нулю или вообще отрицательное — пустой список. Для отрицательных чисел функция вовсе не имеет смысла.
В общем случае список, состоящий из n повторений элемента x, – это список, имеющий «голову» x и «хвост», состоящий из (n-1)-кратного повторения x. Получаем следующий код:
replicate' :: Int –> a –> [a]
replicate' n x
| n <= 0 = []
| otherwise = x : replicate' (n–1) x
Мы использовали сторожевые условия вместо образцов потому, что мы проверяем булевы выражения.
Теперь реализуем функцию take. Эта функция берёт определённое количество первых элементов из заданного списка. Например, take 3 [5,4,3,2,1] вернёт список [5,4,3]. Если мы попытаемся получить ноль или менее элементов из списка, результатом будет пустой список. Если попытаться получить какую-либо часть пустого списка, функция тоже возвратит пустой список. Заметили два базовых случая? Ну, давайте это запишем:
take' :: (Num i, Ord i) => i –> [a] –> [a]
take' n _
| n <= 0 = []
take' _ [] = []
take' n (x:xs) = x : take' (n–1) xs
Заметьте, что в первом образце, который соответствует случаю, когда мы хотим взять нуль или меньше элементов, мы используем маску. Маска _ используется для сопоставления со списком, потому что сам список нас в данном случае не интересует. Также обратите внимание, что мы применяем охранное выражение, но без части otherwise. Это означает, что если значение n будет больше нуля, сравнение продолжится со следующего образца. Второй образец обрабатывает случай, когда мы пытаемся получить часть пустого списка, – возвращается пустой список. Третий образец разбивает список на «голову» и «хвост». Затем мы объявляем, что получить n элементов от списка – это то же самое, что взять «голову» списка и добавить (n–1) элемент из «хвоста».
Функция reverse обращает список, выстраивая элементы в обратном порядке. И снова пустой список оказывается базовым случаем, потому что если обратить пустой список, получим тот же пустой список. Хорошо… А что насчёт всего остального? Ну, можно сказать, что если разбить список на «голову» и «хвост», то обращённый список – это обращённый «хвост» плюс «голова» списка в конце.
reverse' :: [a] –> [a]
reverse' [] = []
reverse' (x:xs) = reverse' xs ++ [x]
Готово!
Функция repeat принимает на вход некоторый элемент и возвращает бесконечный список, содержащий этот элемент. Рекурсивное определение такой функции довольно просто – судите сами:
repeat' :: a –> [a]
repeat' x = x:repeat' x
Вызов repeat 3 даст нам список, который начинается с тройки и содержит бесконечное количество троек в хвостовой части. Вызов будет вычислен как 3:repeat 3, затем как 3:(3:repeat 3), 3:(3:(3: repeat 3)) и т. д. Вычисление repeat 3 не закончится никогда, а вот take 5 (repeat 3) выдаст нам список из пяти троек. Это то же самое, что вызвать replicate 5 3.
Функция repeat наглядно показывает, что рекурсия может вообще не иметь базового случая, если она создаёт бесконечные списки – нам нужно только вовремя их где-нибудь обрезать.
