ట్రీ ట్రావర్సల్ కోసం జెనరిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్‌ను నేర్చుకోండి. మరింత సరళమైన, నిర్వహించదగిన కోడ్ కోసం అల్గారిథమ్‌లను ట్రీ నిర్మాణాల నుండి వేరుచేయడంపై సమగ్ర మార్గదర్శకం.
సరళమైన ట్రీ ట్రావర్సల్‌ను అన్‌లాక్ చేయడం: జెనరిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్‌పై లోతైన అధ్యయనం
సాఫ్ట్‌వేర్ ఇంజనీరింగ్ ప్రపంచంలో, మనం తరచుగా సోపానక్రమ, ట్రీ-వంటి నిర్మాణాలలో వ్యవస్థీకరించబడిన డేటాను ఎదుర్కొంటాము. కంపైలర్‌లు మన కోడ్‌ను అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగించే అబ్‌స్ట్రాక్ట్ సింటాక్స్ ట్రీలు (ASTలు) నుండి వెబ్‌ను శక్తివంతం చేసే డాక్యుమెంట్ ఆబ్జెక్ట్ మోడల్ (DOM) వరకు, మరియు సాధారణ ఫైల్ సిస్టమ్‌ల వరకు, ట్రీలు ప్రతిచోటా ఉన్నాయి. ఈ నిర్మాణాలతో పని చేస్తున్నప్పుడు ఒక ప్రాథమిక పని ట్రావర్సల్: ప్రతి నోడ్‌ను సందర్శించి ఏదైనా ఆపరేషన్‌ను నిర్వహించడం. అయితే, దీనిని శుభ్రంగా, నిర్వహించదగిన విధంగా మరియు విస్తరించదగిన విధంగా చేయడం ఒక సవాలు.
సాంప్రదాయ పద్ధతులు తరచుగా కార్యాచరణ లాజిక్‌ను నేరుగా నోడ్ క్లాస్‌లలో పొందుపరుస్తాయి. ఇది కోర్ సాఫ్ట్‌వేర్ డిజైన్ సూత్రాలను ఉల్లంఘించే ఏకశిలా, గట్టిగా-కపుల్డ్ కోడ్‌కు దారితీస్తుంది. అందమైన ప్రింటర్ లేదా వాలిడేటర్ వంటి కొత్త ఆపరేషన్‌ను జోడించడం వలన మీరు ప్రతి నోడ్ క్లాస్‌ను సవరించవలసి వస్తుంది, ఇది సిస్టమ్‌ను పెళుసుగా మరియు నిర్వహించడం కష్టతరం చేస్తుంది.
క్లాసిక్ విజిటర్ డిజైన్ ప్యాటర్న్ అల్గారిథమ్‌లను అవి పనిచేసే ఆబ్జెక్ట్‌ల నుండి వేరుచేయడం ద్వారా శక్తివంతమైన పరిష్కారాన్ని అందిస్తుంది. కానీ క్లాసిక్ ప్యాటర్న్‌కు కూడా దాని పరిమితులు ఉన్నాయి, ముఖ్యంగా విస్తరణ విషయంలో. ఇక్కడే జెనరిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్, ముఖ్యంగా ట్రీ ట్రావర్సల్‌కు వర్తించినప్పుడు, దాని ప్రాముఖ్యతను సంతరించుకుంటుంది. జెనరిక్స్, టెంప్లేట్‌లు మరియు వేరియంట్‌లు వంటి ఆధునిక ప్రోగ్రామింగ్ లాంగ్వేజ్ ఫీచర్‌లను ఉపయోగించడం ద్వారా, మనం ఏదైనా ట్రీ నిర్మాణాన్ని ప్రాసెస్ చేయడానికి అత్యంత సరళమైన, పునర్వినియోగించదగిన మరియు శక్తివంతమైన వ్యవస్థను సృష్టించవచ్చు.
ఈ లోతైన అధ్యయనం క్లాసిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్ నుండి అధునాతన, జెనరిక్ అమలు వరకు మీ ప్రయాణంలో మీకు మార్గనిర్దేశం చేస్తుంది. మనం వీటిని అన్వేషిస్తాము:
- క్లాసిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్ మరియు దాని అంతర్లీన సవాళ్లపై ఒక పునశ్చరణ.
- కార్యాచరణలను మరింతగా విడదీసే జెనరిక్ విధానానికి పరిణామం.
- జెనరిక్ ట్రీ ట్రావర్సల్ విజిటర్ యొక్క వివరణాత్మక, దశల వారీ అమలు.
- ట్రావర్సల్ లాజిక్‌ను ఆపరేషనల్ లాజిక్ నుండి వేరుచేయడం వల్ల కలిగే లోతైన ప్రయోజనాలు.
- ఈ ప్యాటర్న్ అపారమైన విలువను అందించే వాస్తవ-ప్రపంచ అనువర్తనాలు.
మీరు కంపైలర్‌ను, స్టాటిక్ అనాలిసిస్ టూల్‌ను, UI ఫ్రేమ్‌వర్క్‌ను లేదా సంక్లిష్ట డేటా నిర్మాణాలపై ఆధారపడే ఏదైనా వ్యవస్థను నిర్మిస్తున్నా, ఈ ప్యాటర్న్‌ను నేర్చుకోవడం మీ నిర్మాణ ఆలోచనను మరియు మీ కోడ్ నాణ్యతను పెంచుతుంది.
క్లాసిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్‌ను మళ్లీ సందర్శించడం
జెనరిక్ పరిణామాన్ని అభినందించే ముందు, మనం దాని పునాదిపై పటిష్టమైన అవగాహన కలిగి ఉండాలి. "గ్యాంగ్ ఆఫ్ ఫోర్" వారి ముఖ్యమైన పుస్తకం డిజైన్ ప్యాటర్న్‌లు: రీయుసబుల్ ఆబ్జెక్ట్-ఓరియెంటెడ్ సాఫ్ట్‌వేర్ ఎలిమెంట్స్లో వివరించిన విధంగా, విజిటర్ ప్యాటర్న్ అనేది ఒక బిహేవియరల్ ప్యాటర్న్, ఇది ఉన్న ఆబ్జెక్ట్ నిర్మాణాలను సవరించకుండా వాటికి కొత్త ఆపరేషన్‌లను జోడించడానికి మిమ్మల్ని అనుమతిస్తుంది.
అది పరిష్కరించే సమస్య
మీరు వివిధ నోడ్ రకాలతో కూడిన ఒక సాధారణ అంకగణిత ఎక్స్‌ప్రెషన్ ట్రీని కలిగి ఉన్నారని ఊహించుకోండి, అవి NumberNode (ఒక లిటరల్ విలువ) మరియు AdditionNode (రెండు సబ్-ఎక్స్‌ప్రెషన్‌ల కూడికను సూచిస్తాయి). మీరు ఈ ట్రీపై అనేక విభిన్న ఆపరేషన్‌లను నిర్వహించాలనుకోవచ్చు:
- మూల్యాంకనం (Evaluation): ఎక్స్‌ప్రెషన్ యొక్క తుది సంఖ్యా ఫలితాన్ని లెక్కించండి.
- అందమైన ప్రింటింగ్ (Pretty Printing): "(5 + 3)" వంటి మానవ-చదవగలిగే స్ట్రింగ్ ప్రాతినిధ్యాన్ని రూపొందించండి.
- టైప్ చెకింగ్ (Type Checking): సంబంధిత రకాలకు ఆపరేషన్‌లు చెల్లుబాటు అవుతాయని ధృవీకరించండి.
అమాయక విధానం ఏమిటంటే, `evaluate()`, `print()`, మరియు `typeCheck()` వంటి పద్ధతులను బేస్ `Node` క్లాస్‌కు జోడించి, ప్రతి కాంక్రీట్ నోడ్ క్లాస్‌లో వాటిని ఓవర్‌రైడ్ చేయడం. ఇది నోడ్ క్లాస్‌లను సంబంధం లేని లాజిక్‌తో నింపుతుంది. మీరు కొత్త ఆపరేషన్‌ను కనుగొన్న ప్రతిసారీ, మీరు సోపానక్రమంలోని ప్రతి నోడ్ క్లాస్‌ను తాకాలి. ఇది ఓపెన్/క్లోజ్డ్ ప్రిన్సిపల్‌ను ఉల్లంఘిస్తుంది, ఇది సాఫ్ట్‌వేర్ ఎంటిటీలు విస్తరణకు తెరవబడి ఉండాలి కానీ సవరణకు మూసివేయబడి ఉండాలి అని పేర్కొంటుంది.
క్లాసిక్ సొల్యూషన్: డబుల్ డిస్పాచ్
విజిటర్ ప్యాటర్న్ ఈ సమస్యను రెండు కొత్త సోపానక్రమాలను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా పరిష్కరిస్తుంది: ఒక విజిటర్ సోపానక్రమం మరియు ఒక ఎలిమెంట్ సోపానక్రమం (మన నోడ్‌లు). ఈ మాయ డబుల్ డిస్పాచ్ అనే సాంకేతికతలో ఉంది.
కీ ప్లేయర్‌లు:
- ఎలిమెంట్ ఇంటర్‌ఫేస్ (ఉదాహరణకు, `Node`): ఒక `accept(Visitor v)` పద్ధతిని నిర్వచిస్తుంది.
- కాంక్రీట్ ఎలిమెంట్‌లు (ఉదాహరణకు, `NumberNode`, `AdditionNode`): `accept` పద్ధతిని అమలు చేస్తాయి. అమలు సరళమైనది: `visitor.visit(this);`.
- విజిటర్ ఇంటర్‌ఫేస్: ప్రతి కాంక్రీట్ ఎలిమెంట్ రకం కోసం ఓవర్‌లోడెడ్ `visit` పద్ధతిని ప్రకటిస్తుంది. ఉదాహరణకు, `visit(NumberNode n)` మరియు `visit(AdditionNode n)`.
- కాంక్రీట్ విజిటర్ (ఉదాహరణకు, `EvaluationVisitor`, `PrintVisitor`): ఒక నిర్దిష్ట ఆపరేషన్‌ను నిర్వహించడానికి `visit` పద్ధతులను అమలు చేస్తుంది.
ఇది ఎలా పనిచేస్తుందో ఇక్కడ ఉంది: మీరు `node.accept(myVisitor)` అని పిలుస్తారు. `accept` లోపల, నోడ్ `myVisitor.visit(this)` అని పిలుస్తుంది. ఈ సమయంలో, కంపైలర్‌కు `this` యొక్క కాంక్రీట్ రకం (ఉదాహరణకు, `AdditionNode`) మరియు `myVisitor` యొక్క కాంక్రీట్ రకం (ఉదాహరణకు, `EvaluationVisitor`) తెలుసు. కాబట్టి ఇది సరైన `visit` పద్ధతికి డిస్పాచ్ చేయగలదు: `EvaluationVisitor::visit(AdditionNode*)`. ఈ రెండు-దశల కాల్ ఒకే వర్చువల్ ఫంక్షన్ కాల్ సాధించలేనిదాన్ని సాధిస్తుంది: రెండు విభిన్న ఆబ్జెక్ట్‌ల రన్‌టైమ్ రకాల ఆధారంగా సరైన పద్ధతిని పరిష్కరించడం.
క్లాసిక్ ప్యాటర్న్ యొక్క పరిమితులు
అందంగా ఉన్నప్పటికీ, క్లాసిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్‌కు అభివృద్ధి చెందుతున్న సిస్టమ్‌లలో దాని వినియోగానికి ఆటంకం కలిగించే ఒక ముఖ్యమైన లోపం ఉంది: ఎలిమెంట్ సోపానక్రమంలో దృఢత్వం.
The `Visitor` ఇంటర్‌ఫేస్‌లో ప్రతి `ConcreteElement` రకం కోసం `visit` పద్ధతి ఉంటుంది. మీరు ఒక కొత్త నోడ్ రకాన్ని—అంటే, `MultiplicationNode`ను—జోడించాలనుకుంటే, మీరు బేస్ `Visitor` ఇంటర్‌ఫేస్‌కు ఒక కొత్త `visit(MultiplicationNode n)` పద్ధతిని జోడించాలి. ఇది మీ సిస్టమ్‌లో ఉన్న ప్రతి ఒక్క కాంక్రీట్ విజిటర్ క్లాస్‌ను ఈ కొత్త పద్ధతిని అమలు చేయడానికి అప్‌డేట్ చేయమని మిమ్మల్ని బలవంతం చేస్తుంది. కొత్త ఆపరేషన్‌లను జోడించడానికి మనం పరిష్కరించిన అదే సమస్య ఇప్పుడు కొత్త ఎలిమెంట్ రకాలను జోడించినప్పుడు మళ్లీ కనిపిస్తుంది. సిస్టమ్ ఆపరేషన్ వైపు సవరణకు మూసివేయబడి ఉంటుంది కానీ ఎలిమెంట్ వైపు పూర్తిగా తెరవబడి ఉంటుంది.
ఎలిమెంట్ సోపానక్రమం మరియు విజిటర్ సోపానక్రమం మధ్య ఈ చక్రీయ ఆధారపడటం మరింత సరళమైన, జెనరిక్ పరిష్కారం కోసం చూడటానికి ప్రాథమిక ప్రేరణ.
జెనరిక్ పరిణామం: మరింత సరళమైన విధానం
క్లాసిక్ ప్యాటర్న్ యొక్క ప్రధాన పరిమితి విజిటర్ ఇంటర్‌ఫేస్ మరియు కాంక్రీట్ ఎలిమెంట్ రకాల మధ్య ఉన్న స్టాటిక్, కంపైల్-టైమ్ బంధం. జెనరిక్ విధానం ఈ బంధాన్ని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి ప్రయత్నిస్తుంది. ఓవర్‌లోడెడ్ పద్ధతుల యొక్క దృఢమైన ఇంటర్‌ఫేస్ నుండి సరైన హ్యాండ్లింగ్ లాజిక్‌కు డిస్పాచ్ చేసే బాధ్యతను మార్చడం ప్రధాన ఆలోచన.
ఆధునిక C++, దాని శక్తివంతమైన టెంప్లేట్ మెటాప్రోగ్రామింగ్ మరియు స్టాండర్డ్ లైబ్రరీ ఫీచర్‌లతో, `std::variant` వంటి వాటితో, దీనిని అమలు చేయడానికి అసాధారణంగా శుభ్రమైన మరియు సమర్థవంతమైన మార్గాన్ని అందిస్తుంది. C# లేదా జావా వంటి భాషలలో రిఫ్లెక్షన్ లేదా డిక్షనరీ-ఆధారిత టైప్ లుకప్‌లను ఉపయోగించి ఇదే విధమైన విధానాన్ని సాధించవచ్చు, అయినప్పటికీ సంభావ్య పనితీరు ట్రేడ్-ఆఫ్‌లతో.
మన లక్ష్యం ఒక వ్యవస్థను నిర్మించడం, ఇక్కడ:
- కొత్త నోడ్ రకాలను జోడించడం స్థానికీకరించబడింది మరియు ఉన్న అన్ని విజిటర్ అమలులలో మార్పుల ప్రవాహం అవసరం లేదు.
- కొత్త ఆపరేషన్‌లను జోడించడం సరళంగా ఉంటుంది, విజిటర్ ప్యాటర్న్ యొక్క అసలు లక్ష్యానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది.
- ట్రావర్సల్ లాజిక్ స్వయంగా (ఉదాహరణకు, ప్రీ-ఆర్డర్, పోస్ట్-ఆర్డర్) జెనరిక్‌గా నిర్వచించబడవచ్చు మరియు ఏదైనా ఆపరేషన్ కోసం పునర్వినియోగించబడవచ్చు.
ఈ మూడవ అంశం మన "ట్రీ ట్రావర్సల్ టైప్ ఇంప్లిమెంటేషన్"కి కీలకం. మనం ఆపరేషన్‌ను డేటా నిర్మాణం నుండి వేరు చేయడమే కాకుండా, మనం ట్రావర్స్ చేసే చర్యను ఆపరేట్ చేసే చర్య నుండి కూడా వేరు చేస్తాము.
C++ లో ట్రీ ట్రావర్సల్ కోసం జెనరిక్ విజిటర్‌ను అమలు చేయడం
మన జెనరిక్ విజిటర్ ఫ్రేమ్‌వర్క్‌ను నిర్మించడానికి మనం ఆధునిక C++ (C++17 లేదా ఆ తర్వాత) ఉపయోగిస్తాము. `std::variant`, `std::unique_ptr`, మరియు టెంప్లేట్‌ల కలయిక మనకు టైప్-సేఫ్, సమర్థవంతమైన మరియు అత్యంత ఎక్స్‌ప్రెసివ్ పరిష్కారాన్ని ఇస్తుంది.
దశ 1: ట్రీ నోడ్ నిర్మాణాన్ని నిర్వచించడం
ముందుగా, మన నోడ్ రకాలను నిర్వచిద్దాం. వర్చువల్ `accept` పద్ధతితో కూడిన సాంప్రదాయ వారసత్వ సోపానక్రమం కాకుండా, మనం మన నోడ్‌లను సాధారణ స్ట్రక్ట్‌లుగా నిర్వచిస్తాము. ఆ తర్వాత మనం `std::variant`ని ఉపయోగించి మన నోడ్ రకాల్లో ఏదైనా ఒకదాన్ని కలిగి ఉండే సమ్ టైప్‌ను సృష్టిస్తాము.
పునరావృత నిర్మాణానికి (నోడ్‌లు ఇతర నోడ్‌లను కలిగి ఉండే ట్రీ) అనుమతించడానికి, మనకు పరోక్ష పొర అవసరం. ఒక `Node` స్ట్రక్ట్ వేరియంట్‌ను చుట్టి, దాని పిల్లల కోసం `std::unique_ptr`ని ఉపయోగిస్తుంది.
ఫైల్: `Nodes.h`
#include <memory> #include <variant> #include <vector> // ప్రధాన నోడ్ వ్రాపర్‌ను ముందుగా ప్రకటించండి struct Node; // కాంక్రీట్ నోడ్ రకాలను సాధారణ డేటా అగ్రిగేట్‌లుగా నిర్వచించండి 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; }; // సాధ్యమయ్యే అన్ని నోడ్ రకాల సమ్ టైప్‌ను సృష్టించడానికి std::variantని ఉపయోగించండి using NodeVariant = std::variant<NumberNode, BinaryOpNode, UnaryOpNode>; // వేరియంట్‌ను చుట్టే ప్రధాన నోడ్ స్ట్రక్ట్ struct Node { NodeVariant var; };
ఈ నిర్మాణం ఇప్పటికే ఒక గొప్ప మెరుగుదల. నోడ్ రకాలు సాధారణ పాత డేటా స్ట్రక్ట్‌లు. వాటికి విజిటర్‌ల గురించి లేదా ఏదైనా ఆపరేషన్‌ల గురించి ఎటువంటి అవగాహన లేదు. `FunctionCallNode`ను జోడించడానికి, మీరు కేవలం స్ట్రక్ట్‌ను నిర్వచించి, దాన్ని `NodeVariant` అలియాస్‌కు జోడించండి. ఇది డేటా నిర్మాణం కోసం ఒకే ఒక మార్పు పాయింట్.
దశ 2: `std::visit` తో జెనరిక్ విజిటర్‌ను సృష్టించడం
`std::visit` యుటిలిటీ ఈ ప్యాటర్న్‌కు మూలస్తంభం. ఇది ఒక కాల్ చేయదగిన ఆబ్జెక్ట్‌ను (ఫంక్షన్, ల్యాంబ్డా లేదా `operator()` తో కూడిన ఆబ్జెక్ట్ వంటిది) మరియు `std::variant`ను తీసుకుంటుంది, మరియు వేరియంట్‌లో ప్రస్తుతం యాక్టివ్‌గా ఉన్న రకం ఆధారంగా కాల్ చేయదగిన సరైన ఓవర్‌లోడ్‌ను ఇది పిలుస్తుంది. ఇది మన టైప్-సేఫ్, కంపైల్-టైమ్ డబుల్ డిస్పాచ్ మెకానిజం.
ఒక విజిటర్ ఇప్పుడు వేరియంట్‌లోని ప్రతి రకం కోసం ఓవర్‌లోడెడ్ `operator()` తో కూడిన ఒక సాధారణ స్ట్రక్ట్.
దీన్ని ఆచరణలో చూడటానికి ఒక సాధారణ ప్రిటీ-ప్రింటర్ విజిటర్‌ను సృష్టిద్దాం.
ఫైల్: `PrettyPrinter.h`
#include "Nodes.h" #include <string> #include <iostream> struct PrettyPrinter { // NumberNode కోసం ఓవర్‌లోడ్ void operator()(const NumberNode& node) const { std::cout << node.value; } // UnaryOpNode కోసం ఓవర్‌లోడ్ void operator()(const UnaryOpNode& node) const { std::cout << "(-"; std::visit(*this, node.operand->var); // పునరావృత సందర్శన std::cout << ")"; } // BinaryOpNode కోసం ఓవర్‌లోడ్ void operator()(const BinaryOpNode& node) const { std::cout << "("; std::visit(*this, node.left->var); // పునరావృత సందర్శన 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); // పునరావృత సందర్శన std::cout << ")"; } };
ఇక్కడ ఏమి జరుగుతుందో గమనించండి. ట్రావర్సల్ లాజిక్ (పిల్లలను సందర్శించడం) మరియు ఆపరేషనల్ లాజిక్ (కుండలీకరణాలు మరియు ఆపరేటర్‌లను ప్రింట్ చేయడం) `PrettyPrinter` లోపల కలిసి ఉన్నాయి. ఇది ఫంక్షనల్, కానీ మనం ఇంకా మెరుగ్గా చేయగలం. మనం ఏమిటిని ఎలా నుండి వేరు చేయగలం.
దశ 3: ప్రదర్శన యొక్క స్టార్ - జెనరిక్ ట్రీ ట్రావర్సల్ విజిటర్
ఇప్పుడు, మనం ప్రధాన భావనను పరిచయం చేస్తున్నాము: ట్రావర్సల్ వ్యూహాన్ని సంగ్రహించే పునర్వినియోగించదగిన `TreeWalker`. ఈ `TreeWalker` స్వయంగా ఒక విజిటర్ అవుతుంది, కానీ దాని ఏకైక పని ట్రీని నడవడం. ఇది ట్రావర్సల్ సమయంలో నిర్దిష్ట పాయింట్ల వద్ద అమలు చేయబడే ఇతర ఫంక్షన్‌లను (ల్యాంబ్డాలు లేదా ఫంక్షన్ ఆబ్జెక్ట్‌లు) తీసుకుంటుంది.
మనం విభిన్న వ్యూహాలను సపోర్ట్ చేయవచ్చు, కానీ సాధారణ మరియు శక్తివంతమైనది "ప్రీ-విజిట్" (పిల్లలను సందర్శించే ముందు) మరియు "పోస్ట్-విజిట్" (పిల్లలను సందర్శించిన తర్వాత) కోసం హుక్స్‌ను అందించడం. ఇది ప్రీ-ఆర్డర్ మరియు పోస్ట్-ఆర్డర్ ట్రావర్సల్ చర్యలకు నేరుగా మ్యాప్ అవుతుంది.
ఫైల్: `TreeWalker.h`
#include "Nodes.h" #include <functional> template <typename PreVisitAction, typename PostVisitAction> struct TreeWalker { PreVisitAction pre_visit; PostVisitAction post_visit; // పిల్లలు లేని నోడ్‌లకు (టర్మినల్స్) బేస్ కేస్ void operator()(const NumberNode& node) { pre_visit(node); post_visit(node); } // ఒక చైల్డ్ ఉన్న నోడ్‌ల కోసం కేస్ void operator()(const UnaryOpNode& node) { pre_visit(node); std::visit(*this, node.operand->var); // పునరావృతం post_visit(node); } // రెండు పిల్లలు ఉన్న నోడ్‌ల కోసం కేస్ void operator()(const BinaryOpNode& node) { pre_visit(node); std::visit(*this, node.left->var); // ఎడమకు పునరావృతం std::visit(*this, node.right->var); // కుడికి పునరావృతం post_visit(node); } }; // వాకర్‌ను సులభంగా సృష్టించడానికి సహాయక ఫంక్షన్ template <typename Pre, typename Post> auto make_tree_walker(Pre pre, Post post) { return TreeWalker<Pre, Post>{pre, post}; }
ఈ `TreeWalker` విభజనలో ఒక కళాఖండం. దీనికి ప్రింటింగ్, మూల్యాంకనం లేదా టైప్-చెకింగ్ గురించి ఏమీ తెలియదు. దీని ఏకైక ఉద్దేశ్యం ట్రీ యొక్క డెప్త్-ఫస్ట్ ట్రావర్సల్‌ను నిర్వహించడం మరియు అందించిన హుక్స్‌ను పిలవడం. `pre_visit` చర్య ప్రీ-ఆర్డర్‌లో అమలు చేయబడుతుంది మరియు `post_visit` చర్య పోస్ట్-ఆర్డర్‌లో అమలు చేయబడుతుంది. ఏ ల్యాంబ్డాను అమలు చేయాలనేది ఎంచుకోవడం ద్వారా, వినియోగదారు ఏదైనా ఆపరేషన్‌ను చేయవచ్చు.
దశ 4: శక్తివంతమైన, విడదీయబడిన ఆపరేషన్‌ల కోసం `TreeWalker`ను ఉపయోగించడం
ఇప్పుడు, మన `PrettyPrinter`ను రీఫ్యాక్టర్ చేద్దాం మరియు మన కొత్త జెనరిక్ `TreeWalker`ను ఉపయోగించి ఒక `EvaluationVisitor`ను సృష్టిద్దాం. కార్యాచరణ లాజిక్ ఇప్పుడు సాధారణ ల్యాంబ్డాలుగా వ్యక్తీకరించబడుతుంది.
ల్యాంబ్డా కాల్‌ల మధ్య (మూల్యాంకన స్టాక్ వంటి) స్థితిని పాస్ చేయడానికి, మనం రిఫరెన్స్ ద్వారా వేరియబుల్‌లను క్యాప్చర్ చేయవచ్చు.
ఫైల్: `main.cpp`
#include "Nodes.h" #include "TreeWalker.h" #include <iostream> #include <string> #include <vector> // ఏదైనా నోడ్ రకాన్ని నిర్వహించగల జెనరిక్ ల్యాంబ్డాను సృష్టించడానికి సహాయకం template<class... Ts> struct Overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; }; template<class... Ts> Overloaded(Ts...) -> Overloaded<Ts...>; int main() { // ఎక్స్‌ప్రెషన్ కోసం ఒక ట్రీని నిర్మిద్దాం: (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 << "--- ప్రిటీ ప్రింటింగ్ ఆపరేషన్ ---\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&) {}, // ఏమీ చేయవద్దు [](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; } } }; // పిల్లలు ప్రీ మరియు పోస్ట్ మధ్య సందర్శించబడినందున ఇది పనిచేయదు. // ఇన్-ఆర్డర్ ప్రింట్ కోసం వాకర్‌ను మరింత సరళంగా చేయడానికి మెరుగుపరుద్దాం. // అందంగా ప్రింట్ చేయడానికి "ఇన్-విజిట్" హుక్ కలిగి ఉండటం మంచి విధానం. // సరళత కోసం, ప్రింటింగ్ లాజిక్‌ను కొద్దిగా పునఃనిర్మించుకుందాం. // లేదా మెరుగైనది, ప్రత్యేక ప్రింట్ వాకర్‌ను సృష్టిద్దాం. ప్రస్తుతానికి ప్రీ/పోస్ట్‌కి కట్టుబడి ఉందాం మరియు మూల్యాంకనాన్ని చూపిద్దాం, ఇది మరింత సరిపోతుంది. std::cout << "\n--- మూల్యాంకన ఆపరేషన్ ---\n"; std::vector<double> eval_stack; auto eval_pre_visit = [](const auto&){}; // ప్రీ-విజిట్‌లో ఏమీ చేయవద్దు 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 << "మూల్యాంకన ఫలితం: " << eval_stack.back() << std::endl; return 0; }
మూల్యాంకన లాజిక్‌ను చూడండి. ఇది పోస్ట్-ఆర్డర్ ట్రావర్సల్‌కు ఖచ్చితంగా సరిపోతుంది. దాని పిల్లల విలువల లెక్కించబడి స్టాక్‌లోకి నెట్టబడిన తర్వాతే మనం ఒక ఆపరేషన్‌ను చేస్తాము. `eval_post_visit` ల్యాంబ్డా `eval_stack`ను క్యాప్చర్ చేస్తుంది మరియు మూల్యాంకనం కోసం అన్ని లాజిక్‌ను కలిగి ఉంటుంది. ఈ లాజిక్ నోడ్ నిర్వచనాలు మరియు `TreeWalker` నుండి పూర్తిగా వేరుగా ఉంటుంది. మనం ఆందోళనల యొక్క అందమైన త్రి-మార్గ విభజనను సాధించాము: డేటా నిర్మాణం (నోడ్‌లు), ట్రావర్సల్ అల్గారిథమ్ (`TreeWalker`), మరియు ఆపరేషన్ లాజిక్ (ల్యాంబ్డాలు).
జెనరిక్ విజిటర్ విధానం యొక్క ప్రయోజనాలు
ఈ అమలు వ్యూహం ముఖ్యమైన ప్రయోజనాలను అందిస్తుంది, ముఖ్యంగా పెద్ద-స్థాయి, దీర్ఘకాల సాఫ్ట్‌వేర్ ప్రాజెక్ట్‌లలో.
సాటిలేని సరళత మరియు విస్తరణ సామర్థ్యం
ఇది ప్రాథమిక ప్రయోజనం. కొత్త ఆపరేషన్‌ను జోడించడం చాలా సులభం. మీరు కేవలం కొత్త ల్యాంబ్డాల సెట్‌ను వ్రాసి, వాటిని `TreeWalker`కు పంపండి. మీరు ఇప్పటికే ఉన్న కోడ్‌ను ఏమీ తాకరు. ఇది ఓపెన్/క్లోజ్డ్ ప్రిన్సిపల్‌కు సంపూర్ణంగా కట్టుబడి ఉంటుంది. కొత్త నోడ్ రకాన్ని జోడించడానికి స్ట్రక్ట్‌ను జోడించడం మరియు `std::variant` అలియాస్‌ను అప్‌డేట్ చేయడం—ఒకే, స్థానికీకరించిన మార్పు—మరియు ఆపై దాన్ని నిర్వహించాల్సిన విజిటర్‌లను అప్‌డేట్ చేయడం అవసరం. ఏ విజిటర్‌లు (ఓవర్‌లోడెడ్ ల్యాంబ్డాలు) ఇప్పుడు ఓవర్‌లోడ్‌ను కోల్పోయాయో కంపైలర్ సహాయకరంగా మీకు ఖచ్చితంగా తెలియజేస్తుంది.
ఆందోళనల యొక్క ఉన్నతమైన విభజన
మనం మూడు విభిన్న బాధ్యతలను వేరు చేసాము:
- డేటా ప్రాతినిధ్యం: The `Node` స్ట్రక్ట్‌లు సరళమైన, క్రియారహిత డేటా కంటైనర్‌లు.
- ట్రావర్సల్ మెకానిక్స్: The `TreeWalker` క్లాస్ ట్రీ నిర్మాణాన్ని ఎలా నావిగేట్ చేయాలో లాజిక్‌ను ప్రత్యేకంగా కలిగి ఉంటుంది. సిస్టమ్‌లోని మరే ఇతర భాగాన్ని మార్చకుండా మీరు సులభంగా `InOrderTreeWalker` లేదా `BreadthFirstTreeWalker`ని సృష్టించవచ్చు.
- కార్యాచరణ లాజిక్: వాకర్‌కు పంపబడిన ల్యాంబ్డాలు నిర్దిష్ట పని కోసం (మూల్యాంకనం చేయడం, ప్రింట్ చేయడం, టైప్ చెక్ చేయడం మొదలైనవి) నిర్దిష్ట వ్యాపార లాజిక్‌ను కలిగి ఉంటాయి.
ఈ విభజన కోడ్‌ను అర్థం చేసుకోవడం, పరీక్షించడం మరియు నిర్వహించడం సులభతరం చేస్తుంది. ప్రతి భాగానికి ఒకే, చక్కగా నిర్వచించబడిన బాధ్యత ఉంటుంది.
మెరుగైన పునర్వినియోగ సామర్థ్యం
`TreeWalker` అనంతంగా పునర్వినియోగించదగినది. ట్రావర్సల్ లాజిక్ ఒకసారి వ్రాయబడుతుంది మరియు అపరిమిత సంఖ్యలో ఆపరేషన్‌లకు వర్తింపజేయబడుతుంది. ఇది కోడ్ డూప్లికేషన్‌ను మరియు ప్రతి కొత్త విజిటర్‌లో ట్రావర్సల్ లాజిక్‌ను మళ్లీ అమలు చేయడం వల్ల తలెత్తే బగ్‌ల సంభావ్యతను తగ్గిస్తుంది.
సంక్షిప్త మరియు వ్యక్తీకరణ కోడ్
ఆధునిక C++ ఫీచర్‌లతో, ఫలిత కోడ్ తరచుగా క్లాసిక్ విజిటర్ అమలుల కంటే మరింత సంక్షిప్తంగా ఉంటుంది. ల్యాంబ్డాలు ఆపరేషనల్ లాజిక్‌ను అది ఉపయోగించిన చోటే నిర్వచించడానికి అనుమతిస్తాయి, ఇది సాధారణ, స్థానికీకరించిన ఆపరేషన్‌ల కోసం రీడబిలిటీని మెరుగుపరుస్తుంది. ల్యాంబ్డాల సమితి నుండి విజిటర్‌లను సృష్టించడానికి `Overloaded` సహాయక స్ట్రక్ట్ అనేది విజిటర్ నిర్వచనాలను శుభ్రంగా ఉంచే ఒక సాధారణ మరియు శక్తివంతమైన ఇడియమ్.
సంభావ్య ట్రేడ్-ఆఫ్‌లు మరియు పరిశీలనలు
ఏ ప్యాటర్న్ కూడా సర్వరోగ నివారిణి కాదు. ఇందులో ఉన్న ట్రేడ్-ఆఫ్‌లను అర్థం చేసుకోవడం ముఖ్యం.
ప్రారంభ సెటప్ సంక్లిష్టత
`std::variant` మరియు జెనరిక్ `TreeWalker` తో కూడిన `Node` నిర్మాణం యొక్క ప్రారంభ సెటప్ సరళమైన పునరావృత ఫంక్షన్ కాల్ కంటే మరింత సంక్లిష్టంగా అనిపించవచ్చు. ట్రీ నిర్మాణం స్థిరంగా ఉన్న సిస్టమ్‌లలో ఈ ప్యాటర్న్ అత్యధిక ప్రయోజనాన్ని అందిస్తుంది, కానీ ఆపరేషన్‌ల సంఖ్య కాలక్రమేణా పెరుగుతుందని అంచనా వేయబడుతుంది. చాలా సరళమైన, వన్-ఆఫ్ ట్రీ ప్రాసెసింగ్ పనుల కోసం, ఇది అతిగా ఉండవచ్చు.
పనితీరు
`std::visit`ను ఉపయోగించి C++ లో ఈ ప్యాటర్న్ యొక్క పనితీరు అద్భుతమైనది. `std::visit` సాధారణంగా కంపైలర్‌లచే అత్యంత ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన జంప్ టేబుల్‌ను ఉపయోగించి అమలు చేయబడుతుంది, డిస్పాచ్‌ను చాలా వేగవంతం చేస్తుంది—తరచుగా వర్చువల్ ఫంక్షన్ కాల్‌ల కంటే వేగంగా ఉంటుంది. ఇతర భాషలలో, ఇలాంటి జెనరిక్ ప్రవర్తనను సాధించడానికి రిఫ్లెక్షన్ లేదా డిక్షనరీ-ఆధారిత టైప్ లుకప్‌లపై ఆధారపడే వాటిలో, క్లాసిక్, స్టాటికల్లీ-డిస్పాచ్డ్ విజిటర్‌తో పోలిస్తే గుర్తించదగిన పనితీరు ఓవర్‌హెడ్ ఉండవచ్చు.
భాషా ఆధారపడటం
ఈ నిర్దిష్ట అమలు యొక్క చక్కదనం మరియు సామర్థ్యం C++17 ఫీచర్‌లపై చాలా ఆధారపడి ఉంటుంది. సూత్రాలు బదిలీ చేయదగినవి అయినప్పటికీ, ఇతర భాషలలో అమలు వివరాలు భిన్నంగా ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, జావాలో, ఆధునిక వెర్షన్‌లలో సీల్డ్ ఇంటర్‌ఫేస్ మరియు ప్యాటర్న్ మ్యాచింగ్‌ను ఉపయోగించవచ్చు, లేదా పాత వెర్షన్‌లలో మరింత విస్తృతమైన మ్యాప్-ఆధారిత డిస్పాచర్‌ను ఉపయోగించవచ్చు.
వాస్తవ-ప్రపంచ అనువర్తనాలు మరియు వినియోగ సందర్భాలు
ట్రీ ట్రావర్సల్ కోసం జెనరిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్ కేవలం విద్యాపరమైన వ్యాయామం కాదు; ఇది అనేక సంక్లిష్ట సాఫ్ట్‌వేర్ సిస్టమ్‌లకు వెన్నెముక.
- కంపైలర్‌లు మరియు ఇంటర్‌ప్రెటర్‌లు: ఇది ప్రామాణిక వినియోగ సందర్భం. ఒక అబ్‌స్ట్రాక్ట్ సింటాక్స్ ట్రీ (AST)ని వివిధ "విజిటర్‌లు" లేదా "పాస్‌లు" బహుళ సార్లు ట్రావర్స్ చేస్తాయి. ఒక సెమాంటిక్ అనాలిసిస్ పాస్ టైప్ ఎర్రర్‌ల కోసం తనిఖీ చేస్తుంది, ఒక ఆప్టిమైజేషన్ పాస్ ట్రీని మరింత సమర్థవంతంగా ఉండేలా మళ్లీ వ్రాస్తుంది, మరియు ఒక కోడ్ జనరేషన్ పాస్ మెషిన్ కోడ్ లేదా బైట్‌కోడ్‌ను విడుదల చేయడానికి తుది ట్రీని ట్రావర్స్ చేస్తుంది. ప్రతి పాస్ ఒకే డేటా నిర్మాణంపై ఒక విభిన్న ఆపరేషన్.
- స్టాటిక్ అనాలిసిస్ టూల్స్: లింటర్‌లు, కోడ్ ఫార్మాటర్‌లు మరియు సెక్యూరిటీ స్కానర్‌లు వంటి టూల్స్ కోడ్‌ను ASTలోకి పార్స్ చేసి, ఆపై దానిపై వివిధ విజిటర్‌లను అమలు చేస్తాయి, నమూనాలను కనుగొనడానికి, స్టైల్ నియమాలను అమలు చేయడానికి లేదా సంభావ్య ప్రమాదాలను గుర్తించడానికి.
- డాక్యుమెంట్ ప్రాసెసింగ్ (DOM): మీరు XML లేదా HTML డాక్యుమెంట్‌ను మానిప్యులేట్ చేసినప్పుడు, మీరు ఒక ట్రీతో పని చేస్తున్నారు. అన్ని లింక్‌లను సంగ్రహించడానికి, అన్ని చిత్రాలను మార్చడానికి లేదా డాక్యుమెంట్‌ను వేరే ఫార్మాట్‌కు సీరియలైజ్ చేయడానికి ఒక జెనరిక్ విజిటర్‌ను ఉపయోగించవచ్చు.
- UI ఫ్రేమ్‌వర్క్‌లు: ఆధునిక UI ఫ్రేమ్‌వర్క్‌లు యూజర్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ను ఒక కాంపోనెంట్ ట్రీగా సూచిస్తాయి. రెండరింగ్ కోసం, స్టేట్ అప్‌డేట్‌లను ప్రచారం చేయడానికి (రియాక్ట్ యొక్క రికన్సిలియేషన్ అల్గారిథమ్ వంటివి), లేదా ఈవెంట్‌లను డిస్పాచ్ చేయడానికి ఈ ట్రీని ట్రావర్స్ చేయడం అవసరం.
- 3D గ్రాఫిక్స్‌లో సీన్ గ్రాఫ్‌లు: ఒక 3D సీన్ తరచుగా ఆబ్జెక్ట్‌ల సోపానక్రమంగా సూచించబడుతుంది. రూపాంతరాలను వర్తింపజేయడానికి, ఫిజిక్స్ సిమ్యులేషన్‌లను నిర్వహించడానికి మరియు రెండరింగ్ పైప్‌లైన్‌కు ఆబ్జెక్ట్‌లను సమర్పించడానికి ట్రావర్సల్ అవసరం. ఒక జెనరిక్ వాకర్ రెండరింగ్ ఆపరేషన్‌ను వర్తింపజేయగలడు, ఆపై ఫిజిక్స్ అప్‌డేట్ ఆపరేషన్‌ను వర్తింపజేయడానికి పునర్వినియోగించబడగలడు.
ముగింపు: అబ్‌స్ట్రాక్షన్ యొక్క ఒక కొత్త స్థాయి
జెనరిక్ విజిటర్ ప్యాటర్న్, ముఖ్యంగా ఒక అంకితమైన `TreeWalker`తో అమలు చేయబడినప్పుడు, సాఫ్ట్‌వేర్ డిజైన్‌లో ఒక శక్తివంతమైన పరిణామాన్ని సూచిస్తుంది. ఇది విజిటర్ ప్యాటర్న్ యొక్క అసలు వాగ్దానాన్ని—డేటా మరియు ఆపరేషన్‌ల విభజనను—తీసుకుంటుంది మరియు ట్రావర్సల్ యొక్క సంక్లిష్ట లాజిక్‌ను కూడా వేరు చేయడం ద్వారా దానిని ఉన్నతీకరిస్తుంది.
సమస్యను మూడు విభిన్న, ఆర్థోగోనల్ భాగాలైన—డేటా, ట్రావర్సల్ మరియు ఆపరేషన్—గా విభజించడం ద్వారా, మనం మరింత మాడ్యులర్, నిర్వహించదగిన మరియు దృఢమైన సిస్టమ్‌లను నిర్మిస్తాము. కోర్ డేటా నిర్మాణాలను లేదా ట్రావర్సల్ కోడ్‌ను సవరించకుండా కొత్త ఆపరేషన్‌లను జోడించగల సామర్థ్యం సాఫ్ట్‌వేర్ ఆర్కిటెక్చర్‌కు ఒక స్మారక విజయం. `TreeWalker` ఒక పునర్వినియోగించదగిన ఆస్తిగా మారుతుంది, ఇది డజన్ల కొద్దీ ఫీచర్‌లకు శక్తినివ్వగలదు, ట్రావర్సల్ లాజిక్ స్థిరంగా మరియు సరిగ్గా ఉపయోగించబడే ప్రతిచోటా ఉండేలా చూస్తుంది.
అర్థం చేసుకోవడానికి మరియు సెటప్ చేయడానికి ప్రారంభ పెట్టుబడి అవసరం అయినప్పటికీ, జెనరిక్ ట్రీ ట్రావర్సల్ విజిటర్ ప్యాటర్న్ ఒక ప్రాజెక్ట్ జీవితాంతం డివిడెండ్‌లను చెల్లిస్తుంది. సంక్లిష్ట సోపానక్రమ డేటాతో పనిచేసే ఏ డెవలపర్‌కైనా, క్లీన్, సరళమైన మరియు శాశ్వతమైన కోడ్‌ను వ్రాయడానికి ఇది ఒక అవసరమైన సాధనం.