使用Python制作一個極簡四則運算解釋器
前言:
這是最近完成的一個小的 demo，一個極簡四則運算解釋器。前面，已經(jīng)基于這個想法發(fā)了兩篇博客了：
淺談一下四則運算和二叉樹
python的簡單四則運算語法樹可視化
然后，前兩天也就完成了這個總體的 demo 程序。本來整個程序的思路大致上有了，但是卡在了生成 AST 上了，因為不知道如何生成表達式樹的二叉樹，這個問題困擾了我很久。最后我參考了下面參考資料的第一篇博客的做法，不過它的樹的節(jié)點我感覺有點簡單了，而且最后底層葉子節(jié)點為 tree=tree(tree, "+", 0)，感覺莫名其妙的，雖然這樣也是可以的。不過，我最終是定義了兩個節(jié)點來表示這個，一個 BinOp 來表示二元運算節(jié)點，另一個 Constant 來表示常量節(jié)點。正好元旦到了，我也能抽出來時間了，正好寫一篇博客記錄一下。
演示
這里來簡單放幾個程序的運行截圖，給大家看一下演示的效果。
計算功能演示
這里先展示了程序的幫助信息，然后是幾個簡單的四則運算測試，看起來是沒問題了（我可不敢保證，程序沒有bug！）。
輸出 tokens
輸出 AST
這個格式化的 JSON 信息太長了，不利于直接看到。我們將它渲染出來看最后生成的樹形圖（方法見前兩個博客）。保存下面這個 JSON 在一個文件中，這里我叫做 demo.json，然后執(zhí)行如下命令：pytm-cli -d LR -i demo.json -o demo.html，然后再瀏覽器打開生成的 html 文件。
代碼
所有的代碼都在這里了，只需要一個文件 my_eval.py，想要運行的話，復(fù)制、粘貼，然后按照演示的步驟執(zhí)行即可。
Node、BinOp、Constan 是用來表示節(jié)點的類.
Calculator 中 lexizer 方法是進行分詞的，本來我是打算使用正則的，如果你看過我前面的博客的話，可以發(fā)現(xiàn)我是用的正則來分詞的（因為 Python 的官方文檔正則表達式中有一個簡易的分詞程序）。不過我看其他人都是手寫的分詞，所以我也這樣做了，不過感覺并不是很好，很繁瑣，而且容易出錯。
parse 方法是進行解析的，主要是解析表達式的結(jié)構(gòu)，判斷是否符合四則運算的文法，最終生成表達式樹（它的 AST）。
"""
Grammar
G -> E
E -> T E'
E' -> '+' T E' | '-' T E' | ?
T -> F T'
T' -> '*' F T' | '/' F T' | ?
F -> '(' E ')' | num | name
"""
import json
import argparse
class Node:
"""
簡單的抽象語法樹節(jié)點，定義一些需要使用到的具有層次結(jié)構(gòu)的節(jié)點
"""
def eval(self) -> float: ... # 節(jié)點的計算方法
def visit(self): ... # 節(jié)點的訪問方法
class BinOp(Node):
"""
BinOp Node
"""
def __init__(self, left, op, right) -> None:
self.left = left
self.op = op
self.right = right
def eval(self) -> float:
if self.op == "+":
return self.left.eval() + self.right.eval()
if self.op == "-":
return self.left.eval() - self.right.eval()
if self.op == "*":
return self.left.eval() * self.right.eval()
if self.op == "/":
return self.left.eval() / self.right.eval()
return 0
def visit(self):
"""
遍歷樹的各個節(jié)點，并生成 JSON 表示
"""
return {
"name": "BinOp",
"children": [
self.left.visit(),
{
"name": "OP",
"children": [
{
"name": self.op
}
]
},
self.right.visit()
]
}
class Constant(Node):
"""
Constant Node
"""
def __init__(self, value) -> None:
self.value = value
def eval(self) -> float:
return self.value
def visit(self):
return {
"name": "NUMBER",
"children": [
{
"name": str(self.value) # 轉(zhuǎn)成字符是因為渲染成圖像時，需要該字段為 str
}
]
}
class Calculator:
"""
Simple Expression Parser
"""
def __init__(self, expr) -> None:
self.expr = expr # 輸入的表達式
self.parse_end = False # 解析是否結(jié)束，默認未結(jié)束
self.toks = [] # 解析的 tokens
self.index = 0 # 解析的下標
def lexizer(self):
"""
分詞
"""
index = 0
while index < len(self.expr):
ch = self.expr[index]
if ch in [" ", "\r", "\n"]:
index += 1
continue
if '0' <= ch <= '9':
num_str = ch
index += 1
while index < len(self.expr):
n = self.expr[index]
if '0' <= n <= '9':
if ch == '0':
raise Exception("Invalid number!")
num_str = n
index += 1
continue
break
self.toks.append({
"kind": "INT",
"value": int(num_str)
})
elif ch in ['+', '-', '*', '/', '(', ')']:
self.toks.append({
"kind": ch,
"value": ch
})
index += 1
else:
raise Exception("Unkonwn character!")
def get_token(self):
"""
獲取當(dāng)前位置的 token
"""
if 0 <= self.index < len(self.toks):
tok = self.toks[self.index]
return tok
if self.index == len(self.toks): # token解析結(jié)束
return {
"kind": "EOF",
"value": "EOF"
}
raise Exception("Encounter Error, invalid index = ", self.index)
def move_token(self):
"""
下標向后移動一位
"""
self.index += 1
def parse(self) -> Node:
"""
G -> E
"""
# 分詞
self.lexizer()
# 解析
expr_tree = self.parse_expr()
if self.parse_end:
return expr_tree
else:
raise Exception("Invalid expression!")
def parse_expr(self):
"""
E -> T E'
E' -> + T E' | - T E' | ?
"""
# E -> E E'
left = self.parse_term()
# E' -> + T E' | - T E' | ?
while True:
tok = self.get_token()
kind = tok["kind"]
value = tok["value"]
if tok["kind"] == "EOF":
# 解析結(jié)束的標志
self.parse_end = True
break
if kind in ["+", "-"]:
self.move_token()
left = BinOp(left, value, self.parse_term())
else:
break
return left
def parse_term(self):
"""
T -> F T'
T' -> * F T' | / F T' | ?
"""
# T -> F T'
left = self.parse_factor()
# T' -> * F T' | / F T' | ?
while True:
tok = self.get_token()
kind = tok["kind"]
value = tok["value"]
if kind in ["*", "/"]:
self.move_token()
right = self.parse_factor()
left = BinOp(left, value, right)
else:
break
return left
def parse_factor(self):
"""
F -> '(' E ')' | num | name
"""
tok = self.get_token()
kind = tok["kind"]
value = tok["value"]
if kind == '(':
self.move_token()
expr_node = self.parse_expr()
if self.get_token()["kind"] != ")":
raise Exception("Encounter Error, expected )!")
self.move_token()
return expr_node
if kind == "INT":
self.move_token()
return Constant(value=value)
raise Exception("Encounter Error, unknown factor: ", kind)
if __name__ == "__main__":
# 添加命令行參數(shù)解析器
cmd_parser = argparse.ArgumentParser(
description="Simple Expression Interpreter!")
group = cmd_parser.add_mutually_exclusive_group()
group.add_argument("--tokens", help="print tokens", action="store_true")
group.add_argument("--ast", help="print ast in JSON", action="store_true")
cmd_parser.add_argument(
"expr", help="expression, contains ['+', '-', '*', '/', '(', ')', 'num']")
args = cmd_parser.parse_args()
calculator = Calculator(expr=args.expr)
tree = calculator.parse()
if args.tokens: # 輸出 tokens
for t in calculator.toks:
print(f"{t['kind']:3s} ==> {t['value']}")
elif args.ast: # 輸出 JSON 表示的 AST
print(json.dumps(tree.visit(), indent=4))
else: # 計算結(jié)果
print(tree.eval())
總結(jié)
本來想在前面說一下為什么叫 my_eval.py，但是感覺看到后面的人不多，那就在這里說好了。如果寫了一個復(fù)雜的表達式，那么怎么驗證是否正確的。這里我們直接利用 Python 這個最完美的解釋器就好了，哈哈。這里用 Python 的 eval 函數(shù)，你當(dāng)然是不需要調(diào)用這個函數(shù)，直接復(fù)制計算的表達式即可。我用 eval 函數(shù)，只是想表達為什么我的程序會叫 my_eval 這個名字。
這樣實現(xiàn)下來，也算是完成了一個簡單的四則運算解釋器了。不過，如果你也做一遍的話，也估計會和我一樣感覺到整個過程很繁瑣。因為分詞和語法解析都有現(xiàn)成的工具可以來完成，而且不容易出錯，可以大大減少工作量。不過，自己來一遍也是很有必要的，在使用工具之前，至少也要了解工具的作用。
到此這篇關(guān)于使用Python制作一個極簡四則運算解釋器的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python極簡四則運算解釋器內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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