尾調用優化（Tail Call Optimization, 簡稱 TCO）是現代編譯器中一項重要的優化技術，它能在某些條件下避免函數調用時的棧增長，從而減少運行時內存開銷，提高程序性能。

本文回答了以下幾個問題：

1. 什么是尾調用？
2. 尾調用和尾遞歸的區別？
3. 為什么尾調用優化可以提高效率？
4. 如何判斷編譯器是否做了尾調用優化？

【一句話】
函數調用有棧增長的開銷，尾調用優化省去了函數調用入棧的開銷。

什么是尾調用？

描述

尾調用是指：一個函數在“最后一步”調用另一個函數，并將其返回值直接返回。

【補充】

無返回值函數最后調用函數也可能做尾調用優化

如果函數A是無返回值，只要函數A在最后調用函數B，最后指的是調用函數B后沒有其他操作，那編譯器也是有可能會做尾調用優化的。
因為尾調用的關鍵在于函數A調用函數B后，還需不需要用到函數A中的信息，如果不需要再用了，那么也就沒有了將函數A相關信息入棧的必要，也就能直接復用當前的棧幀了。

例子

int foo(int x) {return bar(x);  // ← 這是一個尾調用
}
void foo_(int x) {bar(x);  // ← 這也是一個尾調用
}

關鍵特征（寫法）

調用另一個函數之后，不再進行其他操作，直接返回。

尾調用和尾遞歸的區別？

尾遞歸就是尾調用中最后一個函數是調用自己，形成遞歸。
尾遞歸優化，編譯器實際上可能把遞歸函數轉換為循環實現。

// 原始尾遞歸
int sum(int n, int acc = 0) {if (n == 0) return acc;return sum(n - 1, acc + n); // 尾遞歸調用
}// 優化后（編譯器可能轉為循環）
int sum(int n, int acc = 0) {while (n > 0) {acc += n;n--;}return acc;
}

為什么尾調用優化可以提高效率？

通常的遞歸調用：

每調用一次函數，就在棧上分配一個新棧幀來保存局部變量和返回地址。

尾調用優化：

編譯器可以直接復用當前棧幀來執行下一個函數調用，避免了棧幀的增長。

為什么棧幀復用就可以提高效率

首先我們需要明白函數調用時發生了什么，知道了棧幀生成的開銷，才能知道為什么棧幀復用可以提高效率。

函數調用和尾調用優化避免的開銷

棧空間分配

每次函數調用，系統都會為該調用分配一個新的棧幀（stack frame），用來保存局部變量、返回地址、參數、寄存器狀態等信息。函數返回時，這個棧幀會被銷毀。

【尾調用優化】
譯器做了尾調用優化，就可以復用當前函數的棧幀，直接跳轉到被調用函數，而不再分配新的棧幀。這樣就避免了頻繁分配和釋放棧幀的開銷。

棧幀入棧

棧空間分配后，需要把棧幀壓入棧中，而在遞歸調用時，很容易出現深度過大導致的棧溢出。

【尾調用優化】
尾調用優化通過復用棧幀，使得遞歸調用不再增加棧深度，相當于變成了循環，極大降低了棧空間需求。

內存訪問與緩存

棧幀的分配和釋放涉及內存操作，雖然CPU有多級緩存，但頻繁的內存訪問仍然影響性能。

【尾調用優化】
棧幀頻繁分配釋放會帶來內存操作，增加緩存失效風險，復用棧幀則降低了內存訪問壓力，有助于提升CPU緩存命中率，進一步提升性能。

如何判斷編譯器是否做了尾調用優化？

我們可以通過查看生成的匯編代碼來判斷是否進行了優化。

生成匯編的方法可以看看我的這篇博客C++中switch-case的性能優化策略詳解

代碼示例

int bar(int x) {return x * 2156 + 15484;
}int foo(int x) {x++;return bar(x * 5); 
}

x86-64 gcc 編譯，不開啟優化

"_Z3bari":push    rbpmov     rbp, rspmov     DWORD PTR [rbp-4], edimov     eax, DWORD PTR [rbp-4]imul    eax, eax, 2156add     eax, 15484pop     rbpret
"_Z3fooi":push    rbpmov     rbp, rspsub     rsp, 8mov     DWORD PTR [rbp-4], ediadd     DWORD PTR [rbp-4], 1mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]mov     eax, edxsal     eax, 2add     eax, edxmov     edi, eaxcall    "_Z3bari"  ; 注意在沒有開啟優化的情況下，是直接通過call指令調用函數，而這就會涉及到上一節講的函數調用的開銷。leaveret

開啟-O2優化后

【注意】
這里有一點要提及，編譯器有可能會做內聯優化，這是另一種優化手段，但是本文想討論的是尾調用優化，在函數體過于簡單的情況下（例如本文提供的案例），編譯器更傾向于使用內聯優化，因此為了避免內聯優化，我們必須對函數做一點修改，變成以下的樣式，來明確規定不允許內聯。

// 增加__attribute__((noinline)) 明確告知編譯器不用內聯【注意，這個標記是GCC和Clang支持的，MSVC或者其他編譯器可能有不一樣的標記】
__attribute__((noinline)) int bar(int x) {return x * 2156 + 15484;
}int foo(int x) {x++;return bar(x * 5);  // 這是一個“尾調用”！
}

"_Z3bari":imul    eax, edi, 2156add     eax, 15484ret
"_Z3fooi":lea     edi, [rdi+5+rdi*4]jmp     "_Z3bari" ; 直接跳轉而非 call ? 沒有新棧幀產生

使用了jmp而不是call，說明這里棧幀復用，TCO 生效。