بر الگوی بازدیدکننده عمومی برای پیمایش درخت مسلط شوید. راهنمایی جامع برای جداسازی الگوریتم‌ها از ساختار درخت برای کدی انعطاف‌پذیرتر و قابل نگهداری‌تر.
گشایش پیمایش انعطاف‌پذیر درخت: نگاهی عمیق به الگوی بازدیدکننده عمومی (Generic Visitor)
در دنیای مهندسی نرم‌افزار، ما به طور مکرر با داده‌هایی مواجه می‌شویم که در ساختارهای سلسله‌مراتبی و درختی سازماندهی شده‌اند. از درخت‌های نحو انتزاعی (ASTs) که کامپایلرها برای درک کد ما استفاده می‌کنند، تا مدل شیء سند (DOM) که وب را قدرت می‌بخشد، و حتی سیستم‌های فایل ساده، درخت‌ها همه جا هستند. یک وظیفه اساسی هنگام کار با این ساختارها، پیمایش است: بازدید از هر گره برای انجام عملیاتی خاص. چالش، اما، انجام این کار به روشی تمیز، قابل نگهداری و قابل توسعه است.
رویکردهای سنتی اغلب منطق عملیاتی را مستقیماً درون کلاس‌های گره جاسازی می‌کنند. این منجر به کدی یکپارچه و با وابستگی شدید می‌شود که اصول اصلی طراحی نرم‌افزار را نقض می‌کند. افزودن یک عملیات جدید، مانند یک چاپگر زیبا (pretty-printer) یا یک اعتبارسنج (validator)، شما را مجبور می‌کند تا هر کلاس گره را تغییر دهید، که سیستم را شکننده و نگهداری آن را دشوار می‌سازد.
الگوی طراحی بازدیدکننده (Visitor) کلاسیک با جدا کردن الگوریتم‌ها از اشیائی که بر روی آنها عمل می‌کنند، راه‌حلی قدرتمند ارائه می‌دهد. اما حتی الگوی کلاسیک نیز محدودیت‌های خود را دارد، به خصوص وقتی صحبت از قابلیت توسعه به میان می‌آید. اینجاست که الگوی بازدیدکننده عمومی (Generic Visitor Pattern)، به ویژه هنگامی که برای پیمایش درخت به کار می‌رود، خود را نشان می‌دهد. با بهره‌گیری از ویژگی‌های زبان‌های برنامه‌نویسی مدرن مانند برنامه‌نویسی عمومی (generics)، قالب‌ها (templates) و variantها، می‌توانیم سیستمی بسیار انعطاف‌پذیر، قابل استفاده مجدد و قدرتمند برای پردازش هر ساختار درختی ایجاد کنیم.
این بررسی عمیق شما را در سفری از الگوی بازدیدکننده کلاسیک به یک پیاده‌سازی عمومی و پیچیده راهنمایی می‌کند. ما موارد زیر را بررسی خواهیم کرد:
- مروری بر الگوی بازدیدکننده کلاسیک و چالش‌های ذاتی آن.
- تکامل به سمت یک رویکرد عمومی که عملیات را حتی بیشتر جدا می‌کند.
- یک پیاده‌سازی دقیق و گام به گام از یک بازدیدکننده پیمایش درخت عمومی.
- مزایای عمیق جداسازی منطق پیمایش از منطق عملیاتی.
- کاربردهای دنیای واقعی که این الگو در آنها ارزش فوق‌العاده‌ای ارائه می‌دهد.
چه در حال ساخت یک کامپایلر، یک ابزار تحلیل ایستا، یک فریم‌ورک رابط کاربری یا هر سیستمی که به ساختارهای داده پیچیده متکی است باشید، تسلط بر این الگو تفکر معماری شما و کیفیت کدتان را ارتقا خواهد داد.
بازنگری الگوی بازدیدکننده کلاسیک
قبل از اینکه بتوانیم تکامل عمومی را درک کنیم، باید درک کاملی از پایه‌های آن داشته باشیم. الگوی بازدیدکننده، همانطور که توسط "گروه چهار نفره" (Gang of Four) در کتاب برجسته‌شان الگوهای طراحی: عناصر نرم‌افزار شیءگرای قابل استفاده مجدد توصیف شده است، یک الگوی رفتاری است که به شما امکان می‌دهد عملیات جدیدی را به ساختارهای شیء موجود اضافه کنید بدون اینکه آن ساختارها را تغییر دهید.
مشکلی که حل می‌کند
تصور کنید یک درخت عبارت حسابی ساده دارید که از انواع گره‌های مختلفی مانند NumberNode (یک مقدار لیترال) و AdditionNode (نمایانگر جمع دو زیرعبارت) تشکیل شده است. ممکن است بخواهید چندین عملیات متمایز را روی این درخت انجام دهید:
- ارزیابی (Evaluation): محاسبه نتیجه عددی نهایی عبارت.
- چاپ زیبا (Pretty Printing): تولید یک نمایش رشته‌ای خوانا برای انسان، مانند "(5 + 3)".
- بررسی نوع (Type Checking): تأیید اینکه عملیات برای انواع درگیر معتبر هستند.
رویکرد ساده‌انگارانه این است که متدهایی مانند `evaluate()`، `print()` و `typeCheck()` را به کلاس پایه `Node` اضافه کرده و آنها را در هر کلاس گره مشخص بازنویسی (override) کنید. این کار کلاس‌های گره را با منطق‌های نامرتبط پر می‌کند. هر بار که یک عملیات جدید ابداع می‌کنید، باید به تک‌تک کلاس‌های گره در سلسله‌مراتب دست بزنید. این کار اصل باز/بسته (Open/Closed Principle) را نقض می‌کند، که بیان می‌کند موجودیت‌های نرم‌افزاری باید برای توسعه باز اما برای اصلاح بسته باشند.
راه‌حل کلاسیک: اعزام دوگانه (Double Dispatch)
الگوی بازدیدکننده این مشکل را با معرفی دو سلسله‌مراتب جدید حل می‌کند: یک سلسله‌مراتب Visitor و یک سلسله‌مراتب Element (گره‌های ما). جادو در تکنیکی به نام اعزام دوگانه نهفته است.
بازیگران اصلی عبارتند از:
- واسط Element (مانند `Node`): متد `accept(Visitor v)` را تعریف می‌کند.
- عناصر مشخص (مانند `NumberNode`, `AdditionNode`): متد `accept` را پیاده‌سازی می‌کنند. پیاده‌سازی ساده است: `visitor.visit(this);`.
- واسط Visitor: یک متد `visit` اورلود شده برای هر نوع عنصر مشخص اعلام می‌کند. به عنوان مثال، `visit(NumberNode n)` و `visit(AdditionNode n)`.
- بازدیدکننده مشخص (مانند `EvaluationVisitor`, `PrintVisitor`): متدهای `visit` را برای انجام یک عملیات خاص پیاده‌سازی می‌کند.
اینگونه کار می‌کند: شما `node.accept(myVisitor)` را فراخوانی می‌کنید. درون `accept`، گره `myVisitor.visit(this)` را فراخوانی می‌کند. در این مرحله، کامپایلر نوع مشخص `this` (مثلاً `AdditionNode`) و نوع مشخص `myVisitor` (مثلاً `EvaluationVisitor`) را می‌داند. بنابراین می‌تواند به متد `visit` صحیح اعزام کند: `EvaluationVisitor::visit(AdditionNode*)`. این فراخوانی دو مرحله‌ای به چیزی دست می‌یابد که یک فراخوانی تابع مجازی به تنهایی نمی‌تواند: تعیین متد صحیح بر اساس انواع زمان اجرای دو شیء مختلف.
محدودیت‌های الگوی کلاسیک
با وجود ظرافت، الگوی بازدیدکننده کلاسیک یک نقطه ضعف قابل توجه دارد که استفاده از آن را در سیستم‌های در حال تکامل مختل می‌کند: انعطاف‌ناپذیری در سلسله‌مراتب عناصر.
واسط `Visitor` شامل یک متد `visit` برای هر نوع `ConcreteElement` است. اگر بخواهید یک نوع گره جدید اضافه کنید—مثلاً یک `MultiplicationNode`—باید یک متد `visit(MultiplicationNode n)` جدید به واسط پایه `Visitor` اضافه کنید. این شما را مجبور می‌کند که تک‌تک کلاس‌های بازدیدکننده مشخص موجود در سیستم خود را برای پیاده‌سازی این متد جدید به‌روزرسانی کنید. همان مشکلی که برای افزودن عملیات جدید حل کردیم، اکنون هنگام افزودن انواع عناصر جدید دوباره ظاهر می‌شود. سیستم از سمت عملیات برای اصلاح بسته است، اما از سمت عناصر کاملاً باز است.
این وابستگی چرخه‌ای بین سلسله‌مراتب عناصر و سلسله‌مراتب بازدیدکنندگان، انگیزه اصلی برای جستجوی یک راه‌حل عمومی‌تر و انعطاف‌پذیرتر است.
تکامل عمومی: رویکردی انعطاف‌پذیرتر
محدودیت اصلی الگوی کلاسیک، پیوند ایستا و زمان کامپایل بین واسط بازدیدکننده و انواع عناصر مشخص است. رویکرد عمومی به دنبال شکستن این پیوند است. ایده اصلی این است که مسئولیت اعزام به منطق پردازش صحیح را از یک واسط انعطاف‌ناپذیر با متدهای اورلود شده دور کنیم.
C++ مدرن، با فرابرنامه‌نویسی قدرتمند قالب (template metaprogramming) و ویژگی‌های کتابخانه استاندارد مانند `std::variant`، روشی فوق‌العاده تمیز و کارآمد برای پیاده‌سازی این امر فراهم می‌کند. رویکرد مشابهی را می‌توان در زبان‌هایی مانند C# یا Java با استفاده از بازتاب (reflection) یا واسط‌های عمومی (generic interfaces) به دست آورد، هرچند با مبادلات عملکردی بالقوه.
هدف ما ساختن سیستمی است که در آن:
- افزودن انواع گره جدید موضعی باشد و نیازی به تغییرات آبشاری در تمام پیاده‌سازی‌های بازدیدکننده موجود نداشته باشد.
- افزودن عملیات جدید ساده باقی بماند، همسو با هدف اصلی الگوی بازدیدکننده.
- خودِ منطق پیمایش (مانند پیش‌ترتیب، پس‌ترتیب) بتواند به صورت عمومی تعریف شده و برای هر عملیاتی مجدداً استفاده شود.
این نکته سوم، کلید «پیاده‌سازی نوع پیمایش درخت» ماست. ما نه تنها عملیات را از ساختار داده جدا خواهیم کرد، بلکه عمل پیمایش را نیز از عمل انجام عملیات جدا خواهیم کرد.
پیاده‌سازی بازدیدکننده عمومی برای پیمایش درخت در C++
ما از C++ مدرن (C++17 یا جدیدتر) برای ساخت چارچوب بازدیدکننده عمومی خود استفاده خواهیم کرد. ترکیب `std::variant`، `std::unique_ptr` و قالب‌ها (templates) به ما راه‌حلی امن از نظر نوع، کارآمد و بسیار گویا می‌دهد.
مرحله ۱: تعریف ساختار گره درخت
ابتدا، انواع گره خود را تعریف می‌کنیم. به جای یک سلسله‌مراتب وراثتی سنتی با یک متد مجازی `accept`، ما گره‌های خود را به عنوان ساختارهای ساده (structs) تعریف خواهیم کرد. سپس از `std::variant` برای ایجاد یک sum type استفاده می‌کنیم که می‌تواند هر یک از انواع گره ما را در خود نگه دارد.
برای ایجاد یک ساختار بازگشتی (درختی که گره‌ها حاوی گره‌های دیگر هستند)، به یک لایه غیرمستقیم نیاز داریم. یک ساختار `Node` variant را در بر می‌گیرد و از `std::unique_ptr` برای فرزندان خود استفاده می‌کند.
فایل: `Nodes.h`
#include <memory> #include <variant> #include <vector> // اعلان پیشاپیشِ wrapper اصلی Node struct Node; // تعریف انواع گره‌های مشخص به عنوان توده‌های داده ساده struct NumberNode { double value; }; struct BinaryOpNode { enum class Operator { Add, Subtract, Multiply, Divide }; Operator op; std::unique_ptr<Node> left; std::unique_ptr<Node> right; }; struct UnaryOpNode { enum class Operator { Negate }; Operator op; std::unique_ptr<Node> operand; }; // استفاده از std::variant برای ایجاد یک sum type از تمام انواع گره ممکن using NodeVariant = std::variant<NumberNode, BinaryOpNode, UnaryOpNode>; // ساختار اصلی Node که variant را در بر می‌گیرد struct Node { NodeVariant var; };
این ساختار در حال حاضر یک پیشرفت بزرگ است. انواع گره، ساختارهای داده قدیمی ساده (plain old data structs) هستند. آنها هیچ دانشی از بازدیدکنندگان یا هرگونه عملیاتی ندارند. برای افزودن یک `FunctionCallNode`، شما به سادگی ساختار را تعریف کرده و آن را به نام مستعار `NodeVariant` اضافه می‌کنید. این یک نقطه تغییر واحد برای خود ساختار داده است.
مرحله ۲: ایجاد یک بازدیدکننده عمومی با `std::visit`
ابزار `std::visit` سنگ بنای این الگو است. این ابزار یک شیء قابل فراخوانی (مانند یک تابع، لامبدا، یا یک شیء با `operator()`) و یک `std::variant` را می‌گیرد و اورلود صحیح از شیء قابل فراخوانی را بر اساس نوعی که در حال حاضر در variant فعال است، فراخوانی می‌کند. این مکانیزم اعزام دوگانه امن از نظر نوع و زمان کامپایل ماست.
یک بازدیدکننده اکنون به سادگی یک ساختار با `operator()` اورلود شده برای هر نوع در variant است.
بیایید یک بازدیدکننده ساده چاپگر زیبا (Pretty-Printer) بسازیم تا این را در عمل ببینیم.
فایل: `PrettyPrinter.h`
#include "Nodes.h" #include <string> #include <iostream> struct PrettyPrinter { // اورلود برای NumberNode void operator()(const NumberNode& node) const { std::cout << node.value; } // اورلود برای UnaryOpNode void operator()(const UnaryOpNode& node) const { std::cout << "(- "; std::visit(*this, node.operand->var); // بازدید بازگشتی std::cout << ")"; } // اورلود برای BinaryOpNode void operator()(const BinaryOpNode& node) const { std::cout << "("; std::visit(*this, node.left->var); // بازدید بازگشتی switch (node.op) { case BinaryOpNode::Operator::Add: std::cout << " + "; break; case BinaryOpNode::Operator::Subtract: std::cout << " - "; break; case BinaryOpNode::Operator::Multiply: std::cout << " * "; break; case BinaryOpNode::Operator::Divide: std::cout << " / "; break; } std::visit(*this, node.right->var); // بازدید بازگشتی std::cout << ")"; } };
توجه کنید اینجا چه اتفاقی می‌افتد. منطق پیمایش (بازدید از فرزندان) و منطق عملیاتی (چاپ پرانتزها و عملگرها) در داخل `PrettyPrinter` با هم ترکیب شده‌اند. این کار می‌کند، اما ما می‌توانیم حتی بهتر عمل کنیم. ما می‌توانیم چه چیزی را از چگونه جدا کنیم.
مرحله ۳: ستاره نمایش - بازدیدکننده پیمایش درخت عمومی
اکنون، مفهوم اصلی را معرفی می‌کنیم: یک `TreeWalker` قابل استفاده مجدد که استراتژی پیمایش را در خود کپسوله می‌کند. این `TreeWalker` خود یک بازدیدکننده خواهد بود، اما تنها وظیفه‌اش پیمایش درخت است. این بازدیدکننده توابع دیگری (لامبداها یا اشیاء تابعی) را می‌گیرد که در نقاط خاصی از پیمایش اجرا می‌شوند.
ما می‌توانیم از استراتژی‌های مختلفی پشتیبانی کنیم، اما یک استراتژی رایج و قدرتمند، ارائه قلاب‌هایی برای "پیش-بازدید" (قبل از بازدید فرزندان) و "پس-بازدید" (بعد از بازدید فرزندان) است. این مستقیماً به اقدامات پیمایش پیش‌ترتیب و پس‌ترتیب نگاشت می‌شود.
فایل: `TreeWalker.h`
#include "Nodes.h" #include <functional> template <typename PreVisitAction, typename PostVisitAction> struct TreeWalker { PreVisitAction pre_visit; PostVisitAction post_visit; // حالت پایه برای گره‌های بدون فرزند (پایانه‌ها) void operator()(const NumberNode& node) { pre_visit(node); post_visit(node); } // حالت برای گره‌های با یک فرزند void operator()(const UnaryOpNode& node) { pre_visit(node); std::visit(*this, node.operand->var); // بازگشت post_visit(node); } // حالت برای گره‌های با دو فرزند void operator()(const BinaryOpNode& node) { pre_visit(node); std::visit(*this, node.left->var); // بازگشت به چپ std::visit(*this, node.right->var); // بازگشت به راست post_visit(node); } }; // تابع کمکی برای آسان‌تر کردن ساخت walker template <typename Pre, typename Post> auto make_tree_walker(Pre pre, Post post) { return TreeWalker<Pre, Post>{pre, post}; }
این `TreeWalker` یک شاهکار جداسازی است. این هیچ چیزی در مورد چاپ، ارزیابی یا بررسی نوع نمی‌داند. تنها هدف آن انجام یک پیمایش عمق-اول (depth-first) در درخت و فراخوانی قلاب‌های ارائه شده است. عمل `pre_visit` به صورت پیش‌ترتیب و عمل `post_visit` به صورت پس‌ترتیب اجرا می‌شود. با انتخاب لامبدای مورد نظر برای پیاده‌سازی، کاربر می‌تواند هر نوع عملیاتی را انجام دهد.
مرحله ۴: استفاده از `TreeWalker` برای عملیات قدرتمند و جدا شده
اکنون، بیایید `PrettyPrinter` خود را بازسازی کرده و یک `EvaluationVisitor` با استفاده از `TreeWalker` عمومی جدیدمان ایجاد کنیم. منطق عملیاتی اکنون به صورت لامبداهای ساده بیان خواهد شد.
برای انتقال حالت بین فراخوانی‌های لامبدا (مانند پشته ارزیابی)، می‌توانیم متغیرها را با ارجاع (by reference) کپچر کنیم.
فایل: `main.cpp`
#include "Nodes.h" #include "TreeWalker.h" #include <iostream> #include <string> #include <vector> // کمکی برای ایجاد یک لامبدای عمومی که بتواند هر نوع گره‌ای را مدیریت کند template<class... Ts> struct Overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; }; template<class... Ts> Overloaded(Ts...) -> Overloaded<Ts...>; int main() { // بیایید درختی برای عبارت: (5 + (10 * 2)) بسازیم auto num5 = std::make_unique<Node>(Node{NumberNode{5.0}}); auto num10 = std::make_unique<Node>(Node{NumberNode{10.0}}); auto num2 = std::make_unique<Node>(Node{NumberNode{2.0}}); auto mult = std::make_unique<Node>(Node{BinaryOpNode{ BinaryOpNode::Operator::Multiply, std::move(num10), std::move(num2) }}); auto root = std::make_unique<Node>(Node{BinaryOpNode{ BinaryOpNode::Operator::Add, std::move(num5), std::move(mult) }}); std::cout << "--- عملیات چاپ زیبا --- "; auto printer_pre_visit = Overloaded { [](const NumberNode& node) { std::cout << node.value; }, [](const UnaryOpNode&) { std::cout << "(-"; }, [](const BinaryOpNode&) { std::cout << "("; } }; auto printer_post_visit = Overloaded { [](const NumberNode&) {}, // کاری انجام نده [](const UnaryOpNode&) { std::cout << ")"; }, [](const BinaryOpNode& node) { switch (node.op) { case BinaryOpNode::Operator::Add: std::cout << " + "; break; case BinaryOpNode::Operator::Subtract: std::cout << " - "; break; case BinaryOpNode::Operator::Multiply: std::cout << " * "; break; case BinaryOpNode::Operator::Divide: std::cout << " / "; break; } } }; // این کار نخواهد کرد زیرا فرزندان بین pre و post بازدید می‌شوند. // بیایید walker را برای چاپ میان‌ترتیب (in-order) انعطاف‌پذیرتر کنیم. // یک رویکرد بهتر برای چاپ زیبا داشتن یک هوک "in-visit" است. // برای سادگی، بیایید منطق چاپ را کمی بازسازی کنیم. // یا بهتر، یک PrintWalker اختصاصی بسازیم. فعلاً به pre/post پایبند می‌مانیم و ارزیابی را نشان می‌دهیم که مناسب‌تر است. std::cout << "\n--- عملیات ارزیابی ---\n"; std::vector<double> eval_stack; auto eval_pre_visit = [](const auto&){}; // در pre-visit کاری انجام نده auto eval_post_visit = Overloaded { [&](const NumberNode& node) { eval_stack.push_back(node.value); }, [&](const UnaryOpNode& node) { double operand = eval_stack.back(); eval_stack.pop_back(); eval_stack.push_back(-operand); }, [&](const BinaryOpNode& node) { double right = eval_stack.back(); eval_stack.pop_back(); double left = eval_stack.back(); eval_stack.pop_back(); switch(node.op) { case BinaryOpNode::Operator::Add: eval_stack.push_back(left + right); break; case BinaryOpNode::Operator::Subtract: eval_stack.push_back(left - right); break; case BinaryOpNode::Operator::Multiply: eval_stack.push_back(left * right); break; case BinaryOpNode::Operator::Divide: eval_stack.push_back(left / right); break; } } }; auto evaluator = make_tree_walker(eval_pre_visit, eval_post_visit); std::visit(evaluator, root->var); std::cout << "نتیجه ارزیابی: " << eval_stack.back() << std::endl; return 0; }
به منطق ارزیابی نگاه کنید. این یک تناسب کامل برای پیمایش پس‌ترتیب است. ما تنها زمانی عملیاتی را انجام می‌دهیم که مقادیر فرزندان آن محاسبه شده و به پشته اضافه شده باشند. لامبدای `eval_post_visit` پشته `eval_stack` را کپچر می‌کند و تمام منطق ارزیابی را در خود دارد. این منطق کاملاً از تعاریف گره‌ها و `TreeWalker` جدا است. ما به یک جداسازی سه‌جانبه زیبای مسئولیت‌ها دست یافته‌ایم: ساختار داده (Nodes)، الگوریتم پیمایش (`TreeWalker`)، و منطق عملیاتی (لامبداها).
مزایای رویکرد بازدیدکننده عمومی
این استراتژی پیاده‌سازی مزایای قابل توجهی به همراه دارد، به ویژه در پروژه‌های نرم‌افزاری بزرگ و با عمر طولانی.
انعطاف‌پذیری و توسعه‌پذیری بی‌نظیر
این مزیت اصلی است. افزودن یک عملیات جدید بسیار ساده است. شما فقط مجموعه‌ای جدید از لامبداها را می‌نویسید و آنها را به `TreeWalker` می‌دهید. شما به هیچ کد موجودی دست نمی‌زنید. این کاملاً با اصل باز/بسته مطابقت دارد. افزودن یک نوع گره جدید نیازمند افزودن ساختار و به‌روزرسانی نام مستعار `std::variant` است—یک تغییر واحد و موضعی—و سپس به‌روزرسانی بازدیدکنندگانی که نیاز به مدیریت آن دارند. کامپایلر به شما کمک خواهد کرد و دقیقاً می‌گوید کدام بازدیدکنندگان (لامبداهای اورلود شده) اکنون فاقد یک اورلود هستند.
جداسازی برتر مسئولیت‌ها
ما سه مسئولیت متمایز را جدا کرده‌ایم:
- نمایش داده: ساختارهای `Node` محفظه‌های داده ساده و بی‌اثری هستند.
- مکانیک پیمایش: کلاس `TreeWalker` به طور انحصاری مالک منطق نحوه پیمایش ساختار درخت است. شما به راحتی می‌توانید یک `InOrderTreeWalker` یا `BreadthFirstTreeWalker` بدون تغییر هیچ بخش دیگری از سیستم ایجاد کنید.
- منطق عملیاتی: لامبداهایی که به walker داده می‌شوند، منطق تجاری خاص برای یک کار معین (ارزیابی، چاپ، بررسی نوع و غیره) را در بر دارند.
این جداسازی باعث می‌شود کد آسان‌تر فهمیده، تست و نگهداری شود. هر جزء یک مسئولیت واحد و به خوبی تعریف شده دارد.
قابلیت استفاده مجدد بهبود یافته
`TreeWalker` بی‌نهایت قابل استفاده مجدد است. منطق پیمایش یک بار نوشته می‌شود و می‌تواند برای تعداد نامحدودی از عملیات به کار رود. این کار تکرار کد و احتمال بروز باگ‌هایی که ممکن است از پیاده‌سازی مجدد منطق پیمایش در هر بازدیدکننده جدید ناشی شود را کاهش می‌دهد.
کد مختصر و گویا
با ویژگی‌های مدرن C++، کد حاصل اغلب مختصرتر از پیاده‌سازی‌های کلاسیک بازدیدکننده است. لامبداها امکان تعریف منطق عملیاتی را درست در جایی که استفاده می‌شود فراهم می‌کنند، که می‌تواند خوانایی را برای عملیات ساده و موضعی بهبود بخشد. ساختار کمکی `Overloaded` برای ایجاد بازدیدکنندگان از مجموعه‌ای از لامبداها یک اصطلاح رایج و قدرتمند است که تعاریف بازدیدکننده را تمیز نگه می‌دارد.
مبادلات و ملاحظات بالقوه
هیچ الگویی یک راه‌حل جادویی نیست. مهم است که مبادلات درگیر را درک کنیم.
پیچیدگی راه‌اندازی اولیه
راه‌اندازی اولیه ساختار `Node` با `std::variant` و `TreeWalker` عمومی می‌تواند پیچیده‌تر از یک فراخوانی تابع بازگشتی ساده به نظر برسد. این الگو بیشترین سود را در سیستم‌هایی فراهم می‌کند که ساختار درخت پایدار است، اما انتظار می‌رود تعداد عملیات در طول زمان رشد کند. برای کارهای پردازش درخت بسیار ساده و یک‌باره، ممکن است زیاده‌روی باشد.
عملکرد
عملکرد این الگو در C++ با استفاده از `std::visit` عالی است. `std::visit` معمولاً توسط کامپایلرها با استفاده از یک جدول پرش بسیار بهینه‌سازی شده پیاده‌سازی می‌شود، که اعزام را بسیار سریع می‌کند—اغلب سریع‌تر از فراخوانی‌های تابع مجازی. در زبان‌های دیگر که ممکن است برای دستیابی به رفتار عمومی مشابه به بازتاب یا جستجوی نوع مبتنی بر دیکشنری متکی باشند، ممکن است سربار عملکرد قابل توجهی در مقایسه با یک بازدیدکننده کلاسیک و با اعزام ایستا وجود داشته باشد.
وابستگی به زبان
ظرافت و کارایی این پیاده‌سازی خاص به شدت به ویژگی‌های C++17 وابسته است. در حالی که اصول قابل انتقال هستند، جزئیات پیاده‌سازی در زبان‌های دیگر متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال، در جاوا، ممکن است از یک واسط مهر و موم شده (sealed interface) و تطبیق الگو (pattern matching) در نسخه‌های مدرن، یا یک توزیع‌کننده مبتنی بر نقشه (map-based dispatcher) پرجزئیات‌تر در نسخه‌های قدیمی‌تر استفاده شود.
کاربردهای دنیای واقعی و موارد استفاده
الگوی بازدیدکننده عمومی برای پیمایش درخت فقط یک تمرین آکادمیک نیست؛ این ستون فقرات بسیاری از سیستم‌های نرم‌افزاری پیچیده است.
- کامپایلرها و مفسرها: این مورد استفاده اصلی است. یک درخت نحو انتزاعی (AST) چندین بار توسط «بازدیدکنندگان» یا «گذرها» (passes) مختلف پیمایش می‌شود. یک گذر تحلیل معنایی (semantic analysis) خطاهای نوع را بررسی می‌کند، یک گذر بهینه‌سازی (optimization) درخت را برای کارآمدتر شدن بازنویسی می‌کند، و یک گذر تولید کد (code generation) درخت نهایی را برای تولید کد ماشین یا بایت‌کد پیمایش می‌کند. هر گذر یک عملیات متمایز بر روی همان ساختار داده است.
- ابزارهای تحلیل ایستا: ابزارهایی مانند لینترها، فرمت‌دهنده‌های کد و اسکنرهای امنیتی، کد را به یک AST تجزیه کرده و سپس بازدیدکنندگان مختلفی را بر روی آن اجرا می‌کنند تا الگوها را پیدا کنند، قوانین سبک را اعمال کنند یا آسیب‌پذیری‌های بالقوه را شناسایی کنند.
- پردازش اسناد (DOM): هنگامی که شما یک سند XML یا HTML را دستکاری می‌کنید، با یک درخت کار می‌کنید. یک بازدیدکننده عمومی می‌تواند برای استخراج تمام لینک‌ها، تبدیل تمام تصاویر، یا سریال‌سازی سند به فرمتی دیگر استفاده شود.
- فریم‌ورک‌های رابط کاربری: فریم‌ورک‌های رابط کاربری مدرن، رابط کاربری را به عنوان یک درخت مؤلفه (component tree) نشان می‌دهند. پیمایش این درخت برای رندرینگ، انتشار به‌روزرسانی‌های حالت (مانند الگوریتم تطبیق React) یا اعزام رویدادها ضروری است.
- گراف‌های صحنه در گرافیک سه‌بعدی: یک صحنه سه‌بعدی اغلب به عنوان سلسله‌مراتبی از اشیاء نمایش داده می‌شود. برای اعمال تبدیلات، انجام شبیه‌سازی‌های فیزیک و ارسال اشیاء به خط لوله رندرینگ، به پیمایش نیاز است. یک walker عمومی می‌تواند یک عملیات رندرینگ را اعمال کند، سپس برای اعمال یک عملیات به‌روزرسانی فیزیک مجدداً استفاده شود.
نتیجه‌گیری: سطح جدیدی از انتزاع
الگوی بازدیدکننده عمومی، به ویژه هنگامی که با یک `TreeWalker` اختصاصی پیاده‌سازی می‌شود، نشان‌دهنده یک تکامل قدرتمند در طراحی نرم‌افزار است. این الگو وعده اصلی الگوی بازدیدکننده—جداسازی داده‌ها و عملیات—را گرفته و با جدا کردن منطق پیچیده پیمایش، آن را ارتقا می‌دهد.
با شکستن مسئله به سه جزء متمایز و متعامد—داده، پیمایش و عملیات—ما سیستم‌هایی می‌سازیم که ماژولارتر، قابل نگهداری‌تر و قوی‌تر هستند. توانایی افزودن عملیات جدید بدون تغییر ساختارهای داده اصلی یا کد پیمایش، یک پیروزی بزرگ برای معماری نرم‌افزار است. `TreeWalker` به یک دارایی قابل استفاده مجدد تبدیل می‌شود که می‌تواند ده‌ها ویژگی را قدرت بخشد و تضمین کند که منطق پیمایش در همه جا که استفاده می‌شود سازگار و صحیح است.
در حالی که نیازمند سرمایه‌گذاری اولیه در درک و راه‌اندازی است، الگوی بازدیدکننده پیمایش درخت عمومی در طول عمر یک پروژه سود خود را پس می‌دهد. برای هر توسعه‌دهنده‌ای که با داده‌های سلسله‌مراتبی پیچیده کار می‌کند، این یک ابزار ضروری برای نوشتن کدی تمیز، انعطاف‌پذیر و ماندگار است.