Lankstaus medžio apėjimo atskleidimas: išsami bendrinio lankytojo šablono analizė

Programinės įrangos inžinerijos pasaulyje dažnai susiduriame su duomenimis, organizuotais hierarchinėse, medžio pavidalo struktūrose. Nuo abstrakčių sintaksės medžių (AST), kuriuos kompiliatoriai naudoja mūsų kodui suprasti, iki dokumento objektų modelio (DOM), kuris palaiko internetą, ir net paprastų failų sistemų – medžiai yra visur. Pagrindinė užduotis dirbant su šiomis struktūromis yra apėjimas: kiekvieno mazgo aplankymas, siekiant atlikti tam tikrą operaciją. Tačiau iššūkis yra tai padaryti švariai, lengvai prižiūrimai ir išplečiamai.

Tradiciniai metodai dažnai įterpia operacinę logiką tiesiogiai į mazgų klases. Tai veda prie monolitinio, glaudžiai susieto kodo, kuris pažeidžia pagrindinius programinės įrangos projektavimo principus. Pridedant naują operaciją, pavyzdžiui, gražųjį spausdintuvą (pretty-printer) ar validatorių, esate priversti modifikuoti kiekvieną mazgo klasę, todėl sistema tampa trapi ir sunkiai prižiūrima.

Klasikinis lankytojo projektavimo šablonas siūlo galingą sprendimą, atskiriant algoritmus nuo objektų, su kuriais jie veikia. Tačiau net ir klasikinis šablonas turi savo apribojimų, ypač kalbant apie išplečiamumą. Būtent čia atsiskleidžia bendrinis lankytojo šablonas, ypač taikomas medžio apėjimui. Naudodami modernias programavimo kalbų funkcijas, tokias kaip bendriniai tipai (generics), šablonai (templates) ir variantai (variants), galime sukurti itin lanksčią, daugkartinio naudojimo ir galingą sistemą bet kokiai medžio struktūrai apdoroti.

Ši išsami analizė padės jums pereiti nuo klasikinio lankytojo šablono prie sudėtingo, bendrinio įgyvendinimo. Mes išnagrinėsime:

• Klasikinio lankytojo šablono priminimą ir jo būdingus iššūkius.
• Evoliuciją link bendrinio požiūrio, kuris dar labiau atsieja operacijas.
• Išsamų, žingsnis po žingsnio bendrinio medžio apėjimo lankytojo įgyvendinimą.
• Gilias apėjimo logikos atskyrimo nuo operacinės logikos naudas.
• Realius pavyzdžius, kur šis šablonas suteikia didžiulę vertę.

Nesvarbu, ar kuriate kompiliatorių, statinės analizės įrankį, vartotojo sąsajos karkasą ar bet kokią sistemą, kuri remiasi sudėtingomis duomenų struktūromis, šio šablono įvaldymas pakels jūsų architektūrinį mąstymą ir kodo kokybę į aukštesnį lygį.

Prisimenant klasikinį lankytojo šabloną

Prieš pradedant vertinti bendrinę evoliuciją, turime tvirtai suprasti jos pagrindus. Lankytojo šablonas, kaip aprašė „Keturių gauja“ (Gang of Four) savo epochinėje knygoje „Projektavimo šablonai: daugkartinio naudojimo objektinio programavimo elementai“, yra elgsenos šablonas, leidžiantis pridėti naujų operacijų prie esamų objektų struktūrų, nekeičiant pačių struktūrų.

Problema, kurią jis sprendžia

Įsivaizduokite, kad turite paprastą aritmetinių išraiškų medį, sudarytą iš skirtingų tipų mazgų, pavyzdžiui, NumberNode (skaitinė reikšmė) ir AdditionNode (atstovaujantis dviejų pošakių sudėtį). Galbūt norėtumėte atlikti kelias skirtingas operacijas su šiuo medžiu:

• Įvertinimas: Apskaičiuoti galutinį skaitinį išraiškos rezultatą.
• Gražusis spausdinimas (Pretty Printing): Sugeneruoti žmogui skaitomą eilutės reprezentaciją, pavyzdžiui, "(5 + 3)".
• Tipų tikrinimas: Patikrinti, ar operacijos yra galiojančios su nurodytais tipais.

Naivus požiūris būtų pridėti metodus, tokius kaip `evaluate()`, `print()` ir `typeCheck()`, į bazinę `Node` klasę ir juos perrašyti kiekvienoje konkrečioje mazgo klasėje. Tai išpučia mazgų klases nesusijusia logika. Kiekvieną kartą, kai sugalvojate naują operaciją, turite keisti kiekvieną mazgo klasę hierarchijoje. Tai pažeidžia atvirumo/uždarymo principą (Open/Closed Principle), kuris teigia, kad programinės įrangos esybės turėtų būti atviros plėtrai, bet uždarytos modifikavimui.

Klasikinis sprendimas: dvigubas išsiuntimas (Double Dispatch)

Lankytojo šablonas išsprendžia šią problemą, įvesdamas dvi naujas hierarchijas: lankytojo (Visitor) hierarchiją ir elemento (Element) hierarchiją (mūsų mazgus). Magija slypi technikoje, vadinamoje dvigubu išsiuntimu.

Pagrindiniai dalyviai yra:

• Elemento sąsaja (pvz., `Node`): Apibrėžia `accept(Visitor v)` metodą.
• Konkretūs elementai (pvz., `NumberNode`, `AdditionNode`): Įgyvendina `accept` metodą. Įgyvendinimas yra paprastas: `visitor.visit(this);`.
• Lankytojo sąsaja: Deklaruoja perkrautą (overloaded) `visit` metodą kiekvienam konkrečiam elemento tipui. Pavyzdžiui, `visit(NumberNode n)` ir `visit(AdditionNode n)`.
• Konkretus lankytojas (pvz., `EvaluationVisitor`, `PrintVisitor`): Įgyvendina `visit` metodus, kad atliktų konkrečią operaciją.

Štai kaip tai veikia: Jūs iškviečiate `node.accept(myVisitor)`. `accept` metodo viduje mazgas iškviečia `myVisitor.visit(this)`. Šiuo metu kompiliatorius žino konkretų `this` tipą (pvz., `AdditionNode`) ir konkretų `myVisitor` tipą (pvz., `EvaluationVisitor`). Todėl jis gali išsiųsti į teisingą `visit` metodą: `EvaluationVisitor::visit(AdditionNode*)`. Šis dviejų žingsnių iškvietimas pasiekia tai, ko negali vienas virtualios funkcijos iškvietimas: išsprendžia teisingą metodą pagal dviejų skirtingų objektų vykdymo laiko tipus.

Klasikinio šablono apribojimai

Nors ir elegantiškas, klasikinis lankytojo šablonas turi didelį trūkumą, kuris trukdo jį naudoti besivystančiose sistemose: elemento hierarchijos nelankstumas.

`Visitor` sąsajoje yra `visit` metodas kiekvienam `ConcreteElement` tipui. Jei norite pridėti naują mazgo tipą, pavyzdžiui, `MultiplicationNode`, turite pridėti naują `visit(MultiplicationNode n)` metodą į bazinę `Visitor` sąsają. Tai priverčia jus atnaujinti kiekvieną esamą konkrečią lankytojo klasę jūsų sistemoje, kad įgyvendintumėte šį naują metodą. Ta pati problema, kurią išsprendėme pridedant naujas operacijas, dabar vėl atsiranda pridedant naujus elementų tipus. Sistema yra uždaryta modifikavimui operacijų pusėje, bet plačiai atvira elementų pusėje.

Ši ciklinė priklausomybė tarp elementų hierarchijos ir lankytojų hierarchijos yra pagrindinė motyvacija ieškoti lankstesnio, bendrinio sprendimo.

Bendrinė evoliucija: lankstesnis požiūris

Pagrindinis klasikinio šablono apribojimas yra statiškas, kompiliavimo laiko ryšys tarp lankytojo sąsajos ir konkrečių elementų tipų. Bendrinis požiūris siekia nutraukti šį ryšį. Pagrindinė idėja yra perkelti atsakomybę už išsiuntimą į teisingą apdorojimo logiką nuo nelanksčios perkrautų metodų sąsajos.

Modernus C++, su savo galingu šablonų metaprogramavimu ir standartinės bibliotekos funkcijomis, tokiomis kaip `std::variant`, suteikia išskirtinai švarų ir efektyvų būdą tai įgyvendinti. Panašų požiūrį galima pasiekti kalbose, tokiose kaip C# ar Java, naudojant refleksiją ar bendrines sąsajas, nors ir su galimais našumo kompromisais.

Mūsų tikslas yra sukurti sistemą, kurioje:

1. Naujų mazgų tipų pridėjimas yra lokalizuotas ir nereikalauja kaskadinių pakeitimų visuose esamuose lankytojų įgyvendinimuose.
2. Naujų operacijų pridėjimas išlieka paprastas, atitinkantis pradinį lankytojo šablono tikslą.
3. Pati apėjimo logika (pvz., išankstinė tvarka (pre-order), poeiliui (post-order)) gali būti apibrėžta bendriniu būdu ir pakartotinai naudojama bet kuriai operacijai.

Šis trečias punktas yra mūsų „medžio apėjimo tipo įgyvendinimo“ raktas. Mes ne tik atskirsime operaciją nuo duomenų struktūros, bet ir atskirsime apėjimo veiksmą nuo operacijos veiksmo.

Bendrinio lankytojo įgyvendinimas medžio apėjimui C++ kalba

Naudosime modernų C++ (C++17 ar naujesnį), kad sukurtume savo bendrinį lankytojo karkasą. `std::variant`, `std::unique_ptr` ir šablonų derinys suteikia mums tipo požiūriu saugų, efektyvų ir labai išraiškingą sprendimą.

1 žingsnis: Medžio mazgo struktūros apibrėžimas

Pirmiausia apibrėžkime mūsų mazgų tipus. Užuot naudoję tradicinę paveldėjimo hierarchiją su virtualiu `accept` metodu, apibrėšime mūsų mazgus kaip paprastas struktūras. Tada naudosime `std::variant`, kad sukurtume sumos tipą, galintį laikyti bet kurį iš mūsų mazgų tipų.

Kad leistume rekursinę struktūrą (medį, kuriame mazgai turi kitus mazgus), mums reikia netiesioginio sluoksnio. `Node` struktūra apgaubs variantą ir naudos `std::unique_ptr` savo vaikams.

Failas: `Nodes.h`

#include <memory> #include <variant> #include <vector> // Išankstinė pagrindinio Node apvalkalo deklaracija struct Node; // Apibrėžiame konkrečius mazgų tipus kaip paprastus duomenų agregatus 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; }; // Naudojame std::variant, kad sukurtume visų galimų mazgų tipų sumos tipą using NodeVariant = std::variant<NumberNode, BinaryOpNode, UnaryOpNode>; // Pagrindinė Node struktūra, apgaubianti variantą struct Node {     NodeVariant var; };

Ši struktūra jau yra didžiulis patobulinimas. Mazgų tipai yra paprastos senos duomenų struktūros (plain old data structs). Jos nieko nežino apie lankytojus ar operacijas. Norėdami pridėti `FunctionCallNode`, tiesiog apibrėžiate struktūrą ir pridedate ją prie `NodeVariant` pseudonimo. Tai yra vienintelis modifikavimo taškas pačiai duomenų struktūrai.

2 žingsnis: Bendrinio lankytojo kūrimas su `std::visit`

`std::visit` įrankis yra šio šablono pagrindas. Jis priima iškviečiamą objektą (pvz., funkciją, lambda ar objektą su `operator()`) ir `std::variant`, ir iškviečia teisingą iškviečiamojo objekto perkrovimą, remdamasis šiuo metu aktyviu variantu. Tai yra mūsų tipo požiūriu saugus, kompiliavimo laiko dvigubo išsiuntimo mechanizmas.

Lankytojas dabar yra tiesiog struktūra su perkrautu `operator()` kiekvienam variante esančiam tipui.

Sukurkime paprastą gražaus spausdinimo lankytoją (Pretty-Printer), kad pamatytume, kaip tai veikia.

Failas: `PrettyPrinter.h`

#include "Nodes.h" #include <string> #include <iostream> struct PrettyPrinter {     // Perkrovimas NumberNode tipui     void operator()(const NumberNode& node) const {         std::cout << node.value;     }     // Perkrovimas UnaryOpNode tipui     void operator()(const UnaryOpNode& node) const {         std::cout << "(-";         std::visit(*this, node.operand->var); // Rekursyvus apsilankymas         std::cout << ")";     }     // Perkrovimas BinaryOpNode tipui     void operator()(const BinaryOpNode& node) const {         std::cout << "(";         std::visit(*this, node.left->var); // Rekursyvus apsilankymas         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); // Rekursyvus apsilankymas         std::cout << ")";     } };

Atkreipkite dėmesį, kas čia vyksta. Apėjimo logika (vaikų aplankymas) ir operacinė logika (skliaustų ir operatorių spausdinimas) yra sumaišytos `PrettyPrinter` viduje. Tai veikia, bet mes galime padaryti dar geriau. Galime atskirti ką nuo kaip.

3 žingsnis: Programos žvaigždė – bendrinis medžio apėjimo lankytojas

Dabar pristatome pagrindinę koncepciją: daugkartinio naudojimo `TreeWalker`, kuris apima apėjimo strategiją. Šis `TreeWalker` pats bus lankytojas, bet jo vienintelis darbas – vaikščioti po medį. Jis priims kitas funkcijas (lambda ar funkcijų objektus), kurios bus vykdomos konkrečiais apėjimo momentais.

Galime palaikyti skirtingas strategijas, bet viena iš labiausiai paplitusių ir galingiausių yra suteikti kabliukus „išankstiniam apsilankymui“ (pre-visit, prieš aplankant vaikus) ir „apsilankymui po“ (post-visit, aplankius vaikus). Tai tiesiogiai atitinka išankstinio (pre-order) ir poeilio (post-order) apėjimo veiksmus.

Failas: `TreeWalker.h`

#include "Nodes.h" #include <functional> template <typename PreVisitAction, typename PostVisitAction> struct TreeWalker {     PreVisitAction pre_visit;     PostVisitAction post_visit;     // Bazinė sąlyga mazgams be vaikų (galiniams mazgams)     void operator()(const NumberNode& node) {         pre_visit(node);         post_visit(node);     }     // Atvejis mazgams su vienu vaiku     void operator()(const UnaryOpNode& node) {         pre_visit(node);         std::visit(*this, node.operand->var); // Rekursija         post_visit(node);     }     // Atvejis mazgams su dviem vaikais     void operator()(const BinaryOpNode& node) {         pre_visit(node);         std::visit(*this, node.left->var); // Rekursija kairėn         std::visit(*this, node.right->var); // Rekursija dešinėn         post_visit(node);     } }; // Pagalbinė funkcija, palengvinanti apėjiko kūrimą template <typename Pre, typename Post> auto make_tree_walker(Pre pre, Post post) {     return TreeWalker<Pre, Post>{pre, post}; }

Šis `TreeWalker` yra atskyrimo šedevras. Jis nieko nežino apie spausdinimą, vertinimą ar tipų tikrinimą. Jo vienintelis tikslas yra atlikti medžio apėjimą gilyn (depth-first) ir iškviesti pateiktus kabliukus. `pre_visit` veiksmas vykdomas išankstine tvarka, o `post_visit` veiksmas – poeilio tvarka. Pasirinkdamas, kurią lambda funkciją įgyvendinti, vartotojas gali atlikti bet kokio tipo operaciją.

4 žingsnis: `TreeWalker` naudojimas galingoms, atsietoms operacijoms

Dabar pertvarkykime mūsų `PrettyPrinter` ir sukurkime `EvaluationVisitor`, naudodami naująjį bendrinį `TreeWalker`. Operacinė logika dabar bus išreikšta kaip paprastos lambda funkcijos.

Norėdami perduoti būseną tarp lambda iškvietimų (pvz., vertinimo dėklą (stack)), galime perimti kintamuosius pagal nuorodą.

Failas: `main.cpp`

#include "Nodes.h" #include "TreeWalker.h" #include <iostream> #include <string> #include <vector> // Pagalbinė priemonė bendrinei lambda funkcijai, galinčiai apdoroti bet kurį mazgo tipą, sukurti template<class... Ts> struct Overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; }; template<class... Ts> Overloaded(Ts...) -> Overloaded<Ts...>; int main() {     // Sukurkime medį išraiškai: (5 + (10 * 2))     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 << "--- Gražaus spausdinimo operacija ---\n";     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&) {}, // Nieko nedaryti         [](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;             }         }     }; // Tai neveiks, nes vaikai aplankomi tarp pre- ir post-visit. // Patobulinkime apėjiką, kad jis būtų lankstesnis spausdinimui vidine tvarka (in-order). // Geresnis būdas gražiajam spausdinimui yra turėti „in-visit“ (vidinio apsilankymo) kabliuką. // Dėl paprastumo, šiek tiek pertvarkykime spausdinimo logiką. // Arba dar geriau, sukurkime specializuotą PrintWalker. Kol kas apsiribokime pre/post ir parodykime įvertinimą, kuris čia tinka geriau.     std::cout << "\n--- Įvertinimo operacija ---\n";     std::vector<double> eval_stack;     auto eval_pre_visit = [](const auto&){}; // Nieko nedaryti per pre-visit     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 << "Įvertinimo rezultatas: " << eval_stack.back() << std::endl;     return 0; }

Pažvelkite į vertinimo logiką. Ji puikiai tinka poeilio (post-order) apėjimui. Operaciją atliekame tik tada, kai jos vaikų reikšmės yra apskaičiuotos ir įdėtos į dėklą. `eval_post_visit` lambda perima `eval_stack` ir apima visą vertinimo logiką. Ši logika yra visiškai atskirta nuo mazgų apibrėžimų ir `TreeWalker`. Mes pasiekėme gražų trijų krypčių atsakomybių atskyrimą: duomenų struktūra (mazgai), apėjimo algoritmas (`TreeWalker`) ir operacijos logika (lambda funkcijos).

Bendrinio lankytojo metodo privalumai

Ši įgyvendinimo strategija suteikia didelių pranašumų, ypač didelio masto, ilgalaikiuose programinės įrangos projektuose.

Neprilygstamas lankstumas ir išplečiamumas

Tai yra pagrindinis privalumas. Pridėti naują operaciją yra trivialu. Tiesiog parašote naują lambda funkcijų rinkinį ir perduodate jas `TreeWalker`. Jūs neliečiate jokio esamo kodo. Tai puikiai atitinka atvirumo/uždarymo principą. Pridėjus naują mazgo tipą, reikia pridėti struktūrą ir atnaujinti `std::variant` pseudonimą – vienas, lokalizuotas pakeitimas – ir tada atnaujinti lankytojus, kurie turi jį apdoroti. Kompiliatorius naudingai praneš, kuriems tiksliai lankytojams (perkrautoms lambda funkcijoms) dabar trūksta perkrovimo.

Geresnis atsakomybių atskyrimas

Mes išskyrėme tris skirtingas atsakomybes:

• Duomenų reprezentacija: `Node` struktūros yra paprasti, inertiški duomenų konteineriai.
• Apėjimo mechanika: `TreeWalker` klasė išskirtinai valdo logiką, kaip naviguoti medžio struktūroje. Galėtumėte lengvai sukurti `InOrderTreeWalker` ar `BreadthFirstTreeWalker`, nekeisdami jokios kitos sistemos dalies.
• Operacinė logika: `TreeWalker` perduodamos lambda funkcijos apima konkrečią verslo logiką tam tikrai užduočiai (vertinimui, spausdinimui, tipų tikrinimui ir t. t.).

Šis atskyrimas palengvina kodo supratimą, testavimą ir priežiūrą. Kiekvienas komponentas turi vieną, gerai apibrėžtą atsakomybę.

Pagerintas pakartotinis naudojimas

`TreeWalker` yra be galo daugkartinio naudojimo. Apėjimo logika parašoma vieną kartą ir gali būti taikoma neribotam skaičiui operacijų. Tai sumažina kodo dubliavimą ir klaidų, galinčių kilti iš naujo įgyvendinant apėjimo logiką kiekviename naujame lankytojuje, potencialą.

Glaustas ir išraiškingas kodas

Su moderniomis C++ funkcijomis, gautas kodas dažnai yra glaustesnis nei klasikinio lankytojo įgyvendinimai. Lambda funkcijos leidžia apibrėžti operacinę logiką ten, kur ji naudojama, o tai gali pagerinti skaitomumą paprastoms, lokalizuotoms operacijoms. `Overloaded` pagalbinė struktūra lankytojams iš lambda rinkinio sukurti yra įprasta ir galinga idioma, kuri palaiko lankytojų apibrėžimų švarą.

Galimi kompromisai ir svarstymai

Joks šablonas nėra stebuklinga kulka. Svarbu suprasti susijusius kompromisus.

Pradinės sąrankos sudėtingumas

Pradinis `Node` struktūros su `std::variant` ir bendrinio `TreeWalker` nustatymas gali atrodyti sudėtingesnis nei tiesioginis rekursinis funkcijos iškvietimas. Šis šablonas suteikia daugiausiai naudos sistemose, kur medžio struktūra yra stabili, bet tikimasi, kad operacijų skaičius laikui bėgant augs. Labai paprastoms, vienkartinėms medžio apdorojimo užduotims tai gali būti perteklinis sprendimas.

Našumas

Šio šablono našumas C++ kalboje, naudojant `std::visit`, yra puikus. `std::visit` paprastai yra įgyvendinamas kompiliatorių naudojant labai optimizuotą šuolių lentelę, todėl išsiuntimas yra itin greitas – dažnai greitesnis nei virtualių funkcijų iškvietimai. Kitose kalbose, kurios gali remtis refleksija ar žodyno tipo paieškomis, kad pasiektų panašų bendrinį elgesį, gali būti pastebimas našumo praradimas, palyginti su klasikiniu, statiškai išsiunčiamu lankytoju.

Priklausomybė nuo kalbos

Šio konkretaus įgyvendinimo elegancija ir efektyvumas labai priklauso nuo C++17 funkcijų. Nors principai yra perkeliami, įgyvendinimo detalės kitose kalbose skirsis. Pavyzdžiui, Javoje moderniose versijose galima naudoti užantspauduotą sąsają (sealed interface) ir šablonų atitikimą (pattern matching), o senesnėse versijose – žodynu pagrįstą dispečerį, kuris yra išsamesnis.

Realaus pasaulio taikymai ir naudojimo atvejai

Bendrinis lankytojo šablonas medžio apėjimui nėra tik akademinis pratimas; tai yra daugelio sudėtingų programinės įrangos sistemų pagrindas.

• Kompiliatoriai ir interpretatoriai: Tai kanoninis naudojimo atvejis. Abstraktus sintaksės medis (AST) yra apeinamas kelis kartus skirtingų „lankytojų“ ar „perėjimų“ (passes). Semantinės analizės perėjimas tikrina tipų klaidas, optimizavimo perėjimas perrašo medį, kad jis būtų efektyvesnis, o kodo generavimo perėjimas apeina galutinį medį, kad išvestų mašininį kodą arba baitkodą. Kiekvienas perėjimas yra atskira operacija su ta pačia duomenų struktūra.
• Statinės analizės įrankiai: Įrankiai, tokie kaip linteriai, kodo formatuotojai ir saugumo skeneriai, išanalizuoja kodą į AST ir tada paleidžia įvairius lankytojus, kad rastų šablonus, priverstų laikytis stiliaus taisyklių ar aptiktų galimus pažeidžiamumus.
• Dokumentų apdorojimas (DOM): Kai manipuliuojate XML ar HTML dokumentu, dirbate su medžiu. Bendrinis lankytojas gali būti naudojamas išgauti visas nuorodas, transformuoti visus vaizdus ar serializuoti dokumentą į kitą formatą.
• Vartotojo sąsajos karkasai (UI Frameworks): Modernūs vartotojo sąsajos karkasai vaizduoja vartotojo sąsają kaip komponentų medį. Šio medžio apėjimas yra būtinas atvaizdavimui, būsenos atnaujinimų platinimui (kaip React suderinimo algoritme) ar įvykių išsiuntimui.
• Scenos grafai 3D grafikoje: 3D scena dažnai vaizduojama kaip objektų hierarchija. Apėjimas reikalingas transformacijoms taikyti, fizikos simuliacijoms atlikti ir objektams pateikti atvaizdavimo konvejeriui. Bendrinis apėjikas galėtų taikyti atvaizdavimo operaciją, o tada būti pakartotinai panaudotas fizikos atnaujinimo operacijai.

Išvada: naujas abstrakcijos lygis

Bendrinis lankytojo šablonas, ypač kai įgyvendinamas su specialiu `TreeWalker`, yra galinga programinės įrangos projektavimo evoliucija. Jis perima pradinį lankytojo šablono pažadą – duomenų ir operacijų atskyrimą – ir pakelia jį į aukštesnį lygį, taip pat atskirdamas sudėtingą apėjimo logiką.

Suskirstydami problemą į tris skirtingus, ortogonalius komponentus – duomenis, apėjimą ir operaciją – kuriame sistemas, kurios yra moduliaresnės, lengviau prižiūrimos ir patikimesnės. Galimybė pridėti naujų operacijų, nekeičiant pagrindinių duomenų struktūrų ar apėjimo kodo, yra monumentalus laimėjimas programinės įrangos architektūrai. `TreeWalker` tampa daugkartinio naudojimo turtu, kuris gali palaikyti dešimtis funkcijų, užtikrinant, kad apėjimo logika yra nuosekli ir teisinga visur, kur ji naudojama.

Nors tai reikalauja pradinės investicijos į supratimą ir sąranką, bendrinis medžio apėjimo lankytojo šablonas atsiperka per visą projekto gyvavimo laikotarpį. Kiekvienam kūrėjui, dirbančiam su sudėtingais hierarchiniais duomenimis, tai yra esminis įrankis rašant švarų, lankstų ir ilgaamžį kodą.