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Python實現存取者模式詳情

2022-03-30 13:00:53

假設要實現一個存放多種型別資料結構的物件，比如一個存放算術運算元和操作符的樹結點，需要存放包含一元操作符、二元操作符和數位型別的結點

class Node:
    pass


class UnaryOperator(Node):
    def __init__(self, operand):
        self.operand = operand


class BinaryOperator(Node):
    def __init__(self, left, right):
        self.left = left
        self.right = right


class Add(BinaryOperator):
    pass


class Sub(BinaryOperator):
    pass


class Mul(BinaryOperator):
    pass


class Div(BinaryOperator):
    pass


class Negative(UnaryOperator):
    pass


class Number(Node):
    def __init__(self, value):
        self.value = value

執行運算需要這樣呼叫：

# 假設運算式子：2 - (2+2) * 2 / 1 = 2-(8) = -6.0
t1 = Add(Number(2), Number(2))
t2 = Mul(t1, Number(2))
t3 = Div(t2, Number(1))
t4 = Sub(Number(2), t3)

或者這樣呼叫：

t5 = Sub(Number(2), Div(Mul(Add(Number(2), Number(2)), Number(2)), Number(1)))

這樣子需要執行多次類的呼叫，極不易讀寫且冗長，有沒有一種方法讓呼叫更加通用，存取變得簡單呢。這裡使用存取者模式可以達到這樣的目的。

存取者模式能夠在不改變元素所屬物件結構的情況下操作元素，讓呼叫或呼叫者（caller）的方式變得簡單，這種操作常見於的士公司操作，當一個乘客叫了一輛的士時，的士公司接收到了一個存取者，並分配一輛的士去接這個乘客。

首先定義一個存取者結點類VisitorNode，實現最基本的存取入口，任何存取的方式都需要繼承這個存取者結點類，並通過這個存取者結點類的visit()方法來存取它的各種操作

# 存取者節點的基礎類別
class NodeVisitor:
    def visit(self, node):
        if not isinstance(node, Node):  # 不是Node物件時當做一個值返回，如果有其他情況可以根據實際來處理
            return node
        self.meth = "visit_" + type(node).__name__.lower()  # type(node)也可以換成node.__class__（只要node.__class__不被篡改）
        meth = getattr(self, self.meth, None)  
        if meth is None:
            meth = self.generic_visit
        return meth(node)

    def generic_visit(self, node):
        raise RuntimeError(f"No {self.meth} method")


# （一種）存取者對應的類
class Visitor(NodeVisitor):
    """
    方法的名稱定義都要與前面定義過的結點類（Node）的名稱保證一致性
    """

    def visit_add(self, node):
        return self.visit(node.left) + self.visit(node.right)

    def visit_sub(self, node):
        return self.visit(node.left) - self.visit(node.right)

    def visit_mul(self, node):
        return self.visit(node.left) * self.visit(node.right)

    def visit_div(self, node):
        return self.visit(node.left) / self.visit(node.right)

    def visit_negative(self, node):  # 如果class Negative 命名-> class Neg，那麼 def visit_negative 命名-> def visit_neg
        return -self.visit(node.operand)

    def visit_number(self, node):
        return node.value

這裡的meth = getattr(self, self.meth, None)使用了字串呼叫物件方法，self.meth動態地根據各類Node類（Add, Sub, Mul…）的名稱定義了對應於類Visitor中的方法（visit_add, visit_sub, visit_mul…）簡化了存取入口的程式碼，當沒有獲取到對應的方法時會執行generic_visit()並丟擲RuntimeError的異常提示存取過程中的異常

如果需要新增一種操作，比如取絕對值，只需要定義一個類class Abs(Unaryoperator): pass並在類Visitor中定義一個visit_abs(self, node)方法即可，不需要做出任何多餘的修改，更不需要改變儲存的結構

這裡visit()方法呼叫了visit_xxx()方法，而visit_xxx()可能也呼叫了visit()，本質上是visit()的迴圈遞迴呼叫，當資料量變大時，效率會變得很慢，且遞迴層次過深時會導致超過限制而失敗，而下面介紹的就是利用棧和生成器來消除遞迴提升效率的實現存取者模式的方法

import types


class Node:
    pass


class BinaryOperator(Node):
    def __init__(self, left, right):
        self.left = left
        self.right = right


class UnaryOperator(Node):
    def __init__(self, operand):
        self.operand = operand


class Add(BinaryOperator):
    pass


class Sub(BinaryOperator):
    pass


class Mul(BinaryOperator):
    pass


class Div(BinaryOperator):
    pass


class Negative(UnaryOperator):
    pass


class Number(Node):
    def __init__(self, value):  # 與UnaryOperator區別僅命名不同
        self.value = value


class NodeVisitor:
    def visit(self, node):
        # 使用棧+生成器來替換原來visit()的遞迴寫法
        stack = [node]
        last_result = None  # 執行一個操作最終都會返回一個值
        while stack:
            last = stack[-1]
            try:
                if isinstance(last, Node):
                    stack.append(self._visit(stack.pop()))
                elif isinstance(last, types.GeneratorType):   # GeneratorType會是上一個if返回的物件，這個物件會返回兩個node執行算術之後的結果
                    # 如果是生成器，不pop掉，而是不斷send，直到StopIteration
                    # 如果last_result不是None，這個值會給回到生成器（例如2被visit_add()的左值接收到）
                    stack.append(last.send(last_result))
                    last_result = None
                else:   # 計算結果是一個值
                    last_result = stack.pop()
            except StopIteration:   # 生成器yield結束
                stack.pop()
        return last_result

    def _visit(self, node):
        self.method_name = "visit_" + type(node).__name__.lower()
        method = getattr(self, self.method_name, None)
        if method is None:
            self.generic_visit(node)
        return method(node)

    def generic_visit(self, node):
        raise RuntimeError(f"No {self.method_name} method")


class Visitor(NodeVisitor):
    def visit_add(self, node):
        yield (yield node.left) + (yield node.right)    # node.left和node.right都可能是Node

    def visit_sub(self, node):
        yield (yield node.left) - (yield node.right)

    def visit_mul(self, node):
        yield (yield node.left) * (yield node.right)

    def visit_div(self, node):
        yield (yield node.left) / (yield node.right)

    def visit_negative(self, node):
        yield -(yield node.operand)

    def visit_number(self, node):
        return node.value

測試是否還會引起超過遞迴層數的異常

def test_time_cost():
    import time
    s = time.perf_counter()
    a = Number(0)
    for n in range(1, 100000):
        a = Add(a, Number(n))
    v = Visitor()
    print(v.visit(a))
    print(f"time cost:{time.perf_counter() - s}")

輸出正常，沒有問題

4999950000
time cost:0.9547078

最後琢磨出了一個似乎可以作為替代的方法：

clas Node:
    psass


class UnaryOperator(Node):
    def __init__(self, operand):
        self.operand = operand


class BinaryOperator(Node):
    def __init__(self, left, right):
        self.left = left
        self.right = right


class Add(BinaryOperator):
    def __init__(self, left, right):
        super().__init__(left, right)
        self.value = self.left.value + self.right.value
    pass


class Sub(BinaryOperator):
    def __init__(self, left, right):
        super().__init__(left, right)
        self.value = self.left.value - self.right.value
    pass


class Mul(BinaryOperator):
    def __init__(self, left, right):
        super().__init__(left, right)
        self.value = self.left.value * self.right.value
    pass


class Div(BinaryOperator):
    def __init__(self, left, right):
        super().__init__(left, right)
        self.value = self.left.value / self.right.value
    pass


class Negative(UnaryOperator):
    def __init__(self, operand):
        super().__init__(operand)
        self.value = -self.operand.value
    pass


class Number(Node):
    def __init__(self, value):
        self.value = value

執行測試：

def test_time_cost():
    import time
    s = time.perf_counter()
    a = Number(0)
    for n in range(1, 100000):
        a = Add(a, Number(n))
    print(a.value)
    print(time.perf_counter() - s)

輸出：

4999950000
0.2506986

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