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怎么使用Python制作一个极简四则运算解释器

计算功能演示这里先展示了程序的帮助信息,然后是几个简单的四则运算测试,看起来是没问题了(我可不敢保证,程序没有bug!)。输出tokens输出AST这个格式化的JSON信息太长了,不利于直接看到。我们将它渲染出来看最后生成的树形图(方法见前两个博客)。保存下面这个JSON在一个文件中,这里我叫做demo.json,然后执行如下命令:pytm-cli-dLR-idemo.json-odemo.html,然后再浏览器打开生成的html文件。代码所有的代码都在这里了,只需要一个文件my_eval.py,想要运行

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    计算功能演示

    这里先展示了程序的帮助信息,然后是几个简单的四则运算测试,看起来是没问题了(我可不敢保证,程序没有bug!)。

    怎么使用Python制作一个极简四则运算解释器

    输出 tokens

    怎么使用Python制作一个极简四则运算解释器

    输出 AST

    这个格式化的 JSON 信息太长了,不利于直接看到。我们将它渲染出来看最后生成的树形图(方法见前两个博客)。保存下面这个 JSON 在一个文件中,这里我叫做 demo.json,然后执行如下命令:pytm-cli -d LR -i demo.json -o demo.html,然后再浏览器打开生成的 html 文件。

    怎么使用Python制作一个极简四则运算解释器

    怎么使用Python制作一个极简四则运算解释器

    代码

    所有的代码都在这里了,只需要一个文件 my_eval.py,想要运行的话,复制、粘贴,然后按照演示的步骤执行即可。

    Node、BinOp、Constan 是用来表示节点的类.
    Calculator 中 lexizer 方法是进行分词的,本来我是打算使用正则的,如果你看过我前面的博客的话,可以发现我是用的正则来分词的(因为 Python 的官方文档正则表达式中有一个简易的分词程序)。不过我看其他人都是手写的分词,所以我也这样做了,不过感觉并不是很好,很繁琐,而且容易出错。
    parse 方法是进行解析的,主要是解析表达式的结构,判断是否符合四则运算的文法,最终生成表达式树(它的 AST)。

    """
    Grammar
    
    G -> E
    E -> T E'
    E' -> '+' T E' | '-' T E' | ɛ
    T -> F T'
    T' -> '*' F T' | '/' F T' | ɛ
    F -> '(' E ')' | num | name
    
    """
    
    import json
    import argparse
    
    
    class Node:
        """
        简单的抽象语法树节点,定义一些需要使用到的具有层次结构的节点
        """
    
        def eval(self) -> float: ...   # 节点的计算方法
        def visit(self): ...           # 节点的访问方法
    
    
    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):
            """
            遍历树的各个节点,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)  # 转成字符是因为渲染成图像时,需要该字段为 str
                    }
                ]
            }
    
    
    class Calculator:
        """
        Simple Expression Parser
        """
    
        def __init__(self, expr) -> None:
            self.expr = expr           # 输入的表达式
            self.parse_end = False     # 解析是否结束,默认未结束
            self.toks = []             # 解析的 tokens
            self.index = 0             # 解析的下标
    
        def lexizer(self):
            """
            分词
            """
            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):
            """
            获取当前位置的 token
            """
            if 0 <= self.index < len(self.toks):
                tok = self.toks[self.index]
                return tok
            if self.index == len(self.toks):  # token解析结束
                return {
                    "kind": "EOF",
                    "value": "EOF"
                }
            raise Exception("Encounter Error, invalid index = ", self.index)
    
        def move_token(self):
            """
            下标向后移动一位
            """
            self.index += 1
    
        def parse(self) -> Node:
            """
            G -> E
            """
            # 分词
            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' | ɛ
            """
            # E -> E E'
            left = self.parse_term()
            # E' -> + T E' | - T E' | ɛ
            while True:
                tok = self.get_token()
                kind = tok["kind"]
                value = tok["value"]
    
                if tok["kind"] == "EOF":
                    # 解析结束的标志
                    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' | ɛ
            """
            # T -> F T'
            left = self.parse_factor()
            # T' -> * F T' | / F T' | ɛ
            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__":
        # 添加命令行参数解析器
        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:   # 输出 tokens
            for t in calculator.toks:
                print(f"{t['kind']:3s} ==> {t['value']}")
        elif args.ast:    # 输出 JSON 表示的 AST
            print(json.dumps(tree.visit(), indent=4))
        else:             # 计算结果
            print(tree.eval())

    总结

    本来想在前面说一下为什么叫 my_eval.py,但是感觉看到后面的人不多,那就在这里说好了。如果写了一个复杂的表达式,那么怎么验证是否正确的。这里我们直接利用 Python 这个最完美的解释器就好了,哈哈。这里用 Python 的 eval 函数,你当然是不需要调用这个函数,直接复制计算的表达式即可。我用 eval 函数,只是想表达为什么我的程序会叫 my_eval 这个名字。

    怎么使用Python制作一个极简四则运算解释器

    这样实现下来,也算是完成了一个简单的四则运算解释器了。不过,如果你也做一遍的话,也估计会和我一样感觉到整个过程很繁琐。因为分词和语法解析都有现成的工具可以来完成,而且不容易出错,可以大大减少工作量。不过,自己来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。

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