เชี่ยวชาญรูปแบบ Generic Visitor สำหรับการท่องไปในโครงสร้างต้นไม้ คู่มือฉบับสมบูรณ์ในการแยกอัลกอริทึมออกจากโครงสร้างต้นไม้เพื่อโค้ดที่ยืดหยุ่นและดูแลรักษาง่ายขึ้น
ปลดล็อกการท่องไปในโครงสร้างต้นไม้ที่ยืดหยุ่น: เจาะลึกรูปแบบ Generic Visitor
ในโลกของวิศวกรรมซอฟต์แวร์ เรามักพบข้อมูลที่จัดเรียงในโครงสร้างแบบลำดับชั้นเหมือนต้นไม้ ตั้งแต่ Abstract Syntax Trees (ASTs) ที่คอมไพเลอร์ใช้ทำความเข้าใจโค้ดของเรา ไปจนถึง Document Object Model (DOM) ที่ขับเคลื่อนเว็บ และแม้แต่ระบบไฟล์อย่างง่าย ต้นไม้มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง งานพื้นฐานเมื่อทำงานกับโครงสร้างเหล่านี้คือ การท่องไป (traversal): การเยี่ยมชมแต่ละโหนดเพื่อดำเนินการบางอย่าง อย่างไรก็ตาม ความท้าทายคือการทำเช่นนี้ด้วยวิธีที่สะอาด สามารถดูแลรักษา และขยายได้
แนวทางดั้งเดิมมักจะฝังตรรกะการดำเนินการไว้ในคลาสโหนดโดยตรง ซึ่งนำไปสู่โค้ดแบบรวมศูนย์ที่เชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา ซึ่งละเมิดหลักการออกแบบซอฟต์แวร์ที่สำคัญ การเพิ่มการดำเนินการใหม่ เช่น pretty-printer หรือ validator จะบังคับให้คุณต้องแก้ไขทุกคลาสโหนด ทำให้ระบบเปราะบางและดูแลรักษายาก
รูปแบบการออกแบบ Visitor แบบคลาสสิกนำเสนอโซลูชันที่ทรงพลังโดยการแยกอัลกอริทึมออกจากออบเจกต์ที่มันทำงานด้วย แต่แม้แต่รูปแบบคลาสสิกก็ยังมีข้อจำกัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงความสามารถในการขยาย นี่คือจุดที่ รูปแบบ Generic Visitor โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อนำไปใช้กับการท่องไปในต้นไม้ เข้ามามีบทบาท ด้วยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของภาษาโปรแกรมสมัยใหม่ เช่น generics, templates และ variants เราสามารถสร้างระบบที่ยืดหยุ่น นำมาใช้ซ้ำได้ และทรงพลังอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลโครงสร้างต้นไม้ใดๆ
การเจาะลึกนี้จะนำคุณผ่านการเดินทางจากรูปแบบ Visitor แบบคลาสสิกไปสู่การใช้งานแบบ generic ที่ซับซ้อน เราจะสำรวจ:
- การทบทวนรูปแบบ Visitor แบบคลาสสิกและความท้าทายโดยธรรมชาติ
- การพัฒนาไปสู่แนวทาง generic ที่แยกการดำเนินการต่างๆ ออกจากกันมากยิ่งขึ้น
- การใช้งานแบบทีละขั้นตอนอย่างละเอียดของ generic tree traversal visitor
- ประโยชน์อันลึกซึ้งของการแยกตรรกะการท่องไปออกจากตรรกะการดำเนินการ
- การใช้งานจริงที่รูปแบบนี้มอบมูลค่ามหาศาล
ไม่ว่าคุณกำลังสร้างคอมไพเลอร์ เครื่องมือวิเคราะห์แบบสถิต เฟรมเวิร์ก UI หรือระบบใดๆ ที่อาศัยโครงสร้างข้อมูลที่ซับซ้อน การเชี่ยวชาญรูปแบบนี้จะยกระดับความคิดเชิงสถาปัตยกรรมและคุณภาพของโค้ดของคุณ
ทบทวนรูปแบบ Visitor แบบคลาสสิก
ก่อนที่เราจะชื่นชมการพัฒนาแบบ generic ได้ เราต้องมีความเข้าใจที่มั่นคงเกี่ยวกับรากฐานของมัน รูปแบบ Visitor ตามที่อธิบายไว้โดย "Gang of Four" ในหนังสือเล่มสำคัญของพวกเขา Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software เป็นรูปแบบพฤติกรรมที่ช่วยให้คุณเพิ่มการดำเนินการใหม่ๆ ให้กับโครงสร้างออบเจกต์ที่มีอยู่โดยไม่ต้องแก้ไขโครงสร้างเหล่านั้น
ปัญหาที่มันแก้ไข
ลองนึกภาพว่าคุณมีต้นไม้การแสดงออกทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายที่ประกอบด้วยโหนดประเภทต่างๆ เช่น NumberNode (ค่าคงที่) และ AdditionNode (แสดงถึงการบวกของนิพจน์ย่อยสองรายการ) คุณอาจต้องการดำเนินการหลายอย่างที่แตกต่างกันกับต้นไม้นี้:
- การประเมิน (Evaluation): คำนวณผลลัพธ์ตัวเลขสุดท้ายของการแสดงออก
- การพิมพ์แบบสวยงาม (Pretty Printing): สร้างการแสดงผลเป็นข้อความที่มนุษย์อ่านได้ เช่น "(5 + 3)"
- การตรวจสอบประเภท (Type Checking): ตรวจสอบว่าการดำเนินการนั้นถูกต้องสำหรับประเภทที่เกี่ยวข้องหรือไม่
แนวทางที่ไม่มีอะไรซับซ้อนคือการเพิ่มเมธอดเช่น `evaluate()`, `print()`, และ `typeCheck()` ลงในคลาส `Node` หลัก และเขียนทับเมธอดเหล่านั้นในแต่ละคลาสโหนดที่ใช้งานจริง วิธีนี้ทำให้คลาสโหนดมีขนาดใหญ่ขึ้นด้วยตรรกะที่ไม่เกี่ยวข้อง ทุกครั้งที่คุณสร้างการดำเนินการใหม่ คุณต้องแตะทุกคลาสโหนดในลำดับชั้น ซึ่งละเมิด หลักการ Open/Closed ที่ระบุว่าเอนทิตีซอฟต์แวร์ควรเปิดสำหรับการขยาย แต่ปิดสำหรับการแก้ไข
โซลูชันคลาสสิก: Double Dispatch
รูปแบบ Visitor แก้ปัญหานี้โดยการแนะนำลำดับชั้นใหม่สองรายการ: ลำดับชั้น Visitor และลำดับชั้น Element (โหนดของเรา) ความมหัศจรรย์อยู่ที่เทคนิคที่เรียกว่า double dispatch
ผู้เล่นหลักคือ:
- Element Interface (เช่น `Node`): กำหนดเมธอด `accept(Visitor v)`
- Concrete Elements (เช่น `NumberNode`, `AdditionNode`): ใช้เมธอด `accept` การใช้งานนั้นง่าย: `visitor.visit(this);`
- Visitor Interface: ประกาศเมธอด `visit` ที่มีการโอเวอร์โหลดสำหรับ แต่ละ ประเภท element ที่ใช้งานจริง ตัวอย่างเช่น `visit(NumberNode n)` และ `visit(AdditionNode n)`
- Concrete Visitor (เช่น `EvaluationVisitor`, `PrintVisitor`): ใช้เมธอด `visit` เพื่อดำเนินการเฉพาะ
นี่คือวิธีการทำงาน: คุณเรียก `node.accept(myVisitor)` ภายใน `accept` โหนดจะเรียก `myVisitor.visit(this)` ในจุดนี้ คอมไพเลอร์จะทราบประเภทที่ใช้งานจริงของ `this` (เช่น `AdditionNode`) และประเภทที่ใช้งานจริงของ `myVisitor` (เช่น `EvaluationVisitor`) ดังนั้นจึงสามารถกระจายไปยังเมธอด `visit` ที่ถูกต้องได้: `EvaluationVisitor::visit(AdditionNode*)` การเรียกสองขั้นตอนนี้บรรลุสิ่งที่การเรียกเสมือนเพียงครั้งเดียวไม่สามารถทำได้: การหาเมธอดที่ถูกต้องตามประเภทการทำงานจริงของออบเจกต์สองรายการ
ข้อจำกัดของรูปแบบคลาสสิก
แม้จะสง่างาม แต่รูปแบบ Visitor แบบคลาสสิกมีข้อเสียเปรียบที่สำคัญซึ่งขัดขวางการใช้งานในระบบที่กำลังพัฒนา: ความแข็งแกร่งของลำดับชั้น element
อินเทอร์เฟซ `Visitor` มีเมธอด `visit` สำหรับทุกประเภท `ConcreteElement` หากคุณต้องการเพิ่มประเภทโหนดใหม่ เช่น `MultiplicationNode` คุณต้องเพิ่มเมธอด `visit(MultiplicationNode n)` ใหม่ลงในอินเทอร์เฟซ `Visitor` หลัก ซึ่งบังคับให้คุณต้องอัปเดต ทุกคลาส visitor ที่ใช้งานจริง ที่มีอยู่ในระบบของคุณเพื่อใช้เมธอดใหม่นี้ ปัญหาที่เราแก้ไขเพื่อเพิ่มการดำเนินการใหม่ ตอนนี้ปรากฏขึ้นอีกครั้งเมื่อเพิ่มประเภท element ใหม่ ระบบจึงปิดสำหรับการแก้ไขในฝั่งการดำเนินการ แต่เปิดกว้างในฝั่ง element
ความเชื่อมโยงแบบวงจรระหว่างลำดับชั้น element และลำดับชั้น visitor นี้เป็นแรงจูงใจหลักในการแสวงหาโซลูชันแบบ generic ที่ยืดหยุ่นยิ่งขึ้น
การพัฒนาแบบ Generic: แนวทางที่ยืดหยุ่นยิ่งขึ้น
ข้อจำกัดหลักของรูปแบบคลาสสิกคือการเชื่อมโยงแบบคงที่ ณ เวลาคอมไพล์ระหว่างอินเทอร์เฟซ visitor และประเภท element ที่ใช้งานจริง แนวทาง generic มุ่งมั่นที่จะทำลายการเชื่อมโยงนี้ แนวคิดหลักคือการถ่ายโอนความรับผิดชอบในการกระจายไปยังตรรกะการจัดการที่ถูกต้องออกจากการเชื่อมโยงอินเทอร์เฟซแบบคงที่ของเมธอดที่โอเวอร์โหลด
C++ สมัยใหม่ พร้อมด้วย template metaprogramming ที่ทรงพลังและคุณสมบัติต่างๆ ของไลบรารีมาตรฐาน เช่น `std::variant` นำเสนอวิธีที่สะอาดและมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการใช้งานสิ่งนี้ แนวทางที่คล้ายกันสามารถทำได้ในภาษาต่างๆ เช่น C# หรือ Java โดยใช้ reflection หรือ generic interfaces แม้ว่าอาจมีค่าใช้จ่ายด้านประสิทธิภาพก็ตาม
เป้าหมายของเราคือการสร้างระบบที่:
- การเพิ่มประเภทโหนดใหม่ เป็นแบบเฉพาะที่และไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงแบบลูกโซ่ในทุกการใช้งาน visitor ที่มีอยู่
- การเพิ่มการดำเนินการใหม่ ยังคงง่าย สอดคล้องกับเป้าหมายดั้งเดิมของรูปแบบ Visitor
- ตรรกะการท่องไปเอง (เช่น pre-order, post-order) สามารถกำหนดแบบ generic และนำมาใช้ซ้ำได้สำหรับทุกการดำเนินการ
จุดที่สามนี้เป็นกุญแจสำคัญในการ "การใช้งานประเภท Tree Traversal ของเรา" เราจะไม่เพียงแค่แยกการดำเนินการออกจากโครงสร้างข้อมูลเท่านั้น แต่เราจะ แยกการท่องไป ออกจาก การดำเนินการ ด้วย
การใช้งาน Generic Visitor สำหรับ Tree Traversal ใน C++
เราจะใช้ C++ สมัยใหม่ (C++17 หรือใหม่กว่า) เพื่อสร้างเฟรมเวิร์ก generic visitor ของเรา การผสมผสานระหว่าง `std::variant`, `std::unique_ptr` และ templates ทำให้เราได้รับโซลูชันที่ปลอดภัยต่อประเภท มีประสิทธิภาพ และสื่อความหมายได้สูง
ขั้นตอนที่ 1: การกำหนดโครงสร้าง Tree Node
ก่อนอื่น มากำหนดประเภทโหนดของเรา แทนที่จะใช้ลำดับชั้นการสืบทอดแบบดั้งเดิมที่มีเมธอด `accept` เสมือน เราจะกำหนดโหนดของเราเป็น struct แบบธรรมดา จากนั้นเราจะใช้ `std::variant` เพื่อสร้าง sum type ที่สามารถเก็บประเภทโหนดใดๆ ของเราได้
เพื่อให้สามารถมีโครงสร้างแบบเรียกซ้ำได้ (ต้นไม้ที่โหนดมีโหนดอื่น) เราต้องการชั้นของอินไดเร็กชัน `Node` struct จะห่อหุ้ม variant และใช้ `std::unique_ptr` สำหรับ children ของมัน
ไฟล์: `Nodes.h`
#include <memory> #include <variant> #include <vector> // ประกาศล่วงหน้า Node wrapper หลัก struct Node; // กำหนดประเภทโหนดที่ใช้งานจริงเป็นโครงสร้างข้อมูลธรรมดา 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; }; // ใช้ std::variant เพื่อสร้าง sum type ของประเภทโหนดที่เป็นไปได้ทั้งหมด using NodeVariant = std::variant<NumberNode, BinaryOpNode, UnaryOpNode>; // โครงสร้าง Node หลักที่ห่อหุ้ม variant struct Node { NodeVariant var; };
โครงสร้างนี้เป็นการปรับปรุงที่ยอดเยี่ยม โหนดประเภทต่างๆ เป็น struct ข้อมูลธรรมดา พวกมันไม่รู้เกี่ยวกับ visitor หรือการดำเนินการใดๆ การเพิ่ม `FunctionCallNode` คุณเพียงแค่กำหนด struct และเพิ่มเข้าไปใน alias `NodeVariant` นี่คือจุดเดียวที่ต้องแก้ไขสำหรับโครงสร้างข้อมูลเอง
ขั้นตอนที่ 2: การสร้าง Generic Visitor ด้วย `std::visit`
ยูทิลิตี้ `std::visit` เป็นส่วนสำคัญของรูปแบบนี้ มันรับออบเจกต์ที่เรียกได้ (เช่น ฟังก์ชัน แลมบ์ดา หรือออบเจกต์ที่มี `operator()`) และ `std::variant` และเรียกใช้ overload ที่ถูกต้องของ callable ตามประเภทที่กำลังทำงานอยู่ใน variant นี่คือกลไก double dispatch ที่ปลอดภัยต่อประเภท ณ เวลาคอมไพล์ของเรา
visitor ตอนนี้เป็นเพียง struct ที่มี `operator()` ที่โอเวอร์โหลดสำหรับแต่ละประเภทใน variant
มาสร้าง Pretty-Printer visitor แบบง่ายๆ เพื่อดูสิ่งนี้
ไฟล์: `PrettyPrinter.h`
#include "Nodes.h" #include <string> #include <iostream> struct PrettyPrinter { // Overload สำหรับ NumberNode void operator()(const NumberNode& node) const { std::cout << node.value; } // Overload สำหรับ UnaryOpNode void operator()(const UnaryOpNode& node) const { std::cout << "(-»; std::visit(*this, node.operand->var); // Recursive visit std::cout << ")"; } // Overload สำหรับ BinaryOpNode void operator()(const BinaryOpNode& node) const { std::cout << "("; std::visit(*this, node.left->var); // Recursive visit 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); // Recursive visit std::cout << ")"; } };
สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่ ตรรกะการท่องไป (การเยี่ยมชม children) และตรรกะการดำเนินการ (การพิมพ์วงเล็บและตัวดำเนินการ) ถูกผสมเข้าด้วยกันภายใน `PrettyPrinter` นี่ใช้งานได้ดี แต่เราสามารถทำได้ดียิ่งขึ้น เราสามารถแยก สิ่งที่เป็น ออกจาก วิธีการ
ขั้นตอนที่ 3: ดาวเด่น - Generic Tree Traversal Visitor
ตอนนี้ เราขอแนะนำแนวคิดหลัก: `TreeWalker` ที่นำมาใช้ซ้ำได้ซึ่งห่อหุ้มกลยุทธ์การท่องไป `TreeWalker` นี้จะเป็น visitor เอง แต่หน้าที่เดียวของมันคือการท่องไปในต้นไม้ มันจะรับฟังก์ชันอื่นๆ (แลมบ์ดา หรือออบเจกต์ฟังก์ชัน) ซึ่งจะถูกเรียกใช้ ณ จุดต่างๆ ในระหว่างการท่องไป
เราสามารถรองรับกลยุทธ์ต่างๆ ได้ แต่วิธีที่ทรงพลังและพบบ่อยคือการให้ฮุกสำหรับ "pre-visit" (ก่อนเยี่ยมชม children) และ "post-visit" (หลังจากเยี่ยมชม children) สิ่งนี้จับคู่โดยตรงกับการดำเนินการ traversal แบบ pre-order และ post-order
ไฟล์: `TreeWalker.h`
#include "Nodes.h" #include <functional> template <typename PreVisitAction, typename PostVisitAction> struct TreeWalker { PreVisitAction pre_visit; PostVisitAction post_visit; // กรณีฐานสำหรับโหนดที่ไม่มี children (เทอร์มินัล) void operator()(const NumberNode& node) { pre_visit(node); post_visit(node); } // กรณีสำหรับโหนดที่มี child หนึ่งตัว void operator()(const UnaryOpNode& node) { pre_visit(node); std::visit(*this, node.operand->var); // Recurse post_visit(node); } // กรณีสำหรับโหนดที่มี children สองตัว void operator()(const BinaryOpNode& node) { pre_visit(node); std::visit(*this, node.left->var); // Recurse left std::visit(*this, node.right->var); // Recurse right post_visit(node); } }; // ฟังก์ชัน helper เพื่อทำให้การสร้าง walker ง่ายขึ้น template <typename Pre, typename Post> auto make_tree_walker(Pre pre, Post post) { return TreeWalker<Pre, Post>{pre, post}; }
`TreeWalker` นี้เป็นผลงานชิ้นเอกของการแยกส่วน มันไม่รู้อะไรเกี่ยวกับการพิมพ์ การประเมิน หรือการตรวจสอบประเภท หน้าที่เดียวของมันคือการทำการ traversal แบบ depth-first ของต้นไม้และเรียกใช้ฮุกที่ให้มา ผู้ใช้สามารถดำเนินการใดๆ ก็ได้โดยการเลือกแลมบ์ดาที่จะใช้งาน
ขั้นตอนที่ 4: การใช้ `TreeWalker` สำหรับการดำเนินการที่มีประสิทธิภาพและแยกส่วน
ตอนนี้ เรามาปรับปรุง `PrettyPrinter` ของเราและสร้าง `EvaluationVisitor` โดยใช้ `TreeWalker` generic ใหม่ของเรา ตรรกะการดำเนินการจะถูกแสดงเป็นแลมบ์ดาธรรมดา
ในการส่งสถานะระหว่างการเรียกแลมบ์ดา (เช่น stack การประเมิน) เราสามารถจับตัวแปรโดย reference
ไฟล์: `main.cpp`
#include "Nodes.h" #include "TreeWalker.h" #include <iostream> #include <string> #include <vector> // Helper สำหรับการสร้างแลมบ์ดา generic ที่สามารถจัดการประเภทโหนดใดก็ได้ template<class... Ts> struct Overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; }; template<class... Ts> Overloaded(Ts...) -> Overloaded<Ts...>; int main() { // มาสร้างต้นไม้สำหรับการแสดงออก: (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 << "--- Pretty Printing Operation --- "; 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&) {}, // Do nothing [](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; } } }; // สิ่งนี้จะไม่ทำงานเนื่องจาก children ถูกเยี่ยมชมระหว่าง pre และ post // มาปรับปรุง walker ให้ยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับการพิมพ์แบบ in-order // วิธีที่ดีกว่าสำหรับการพิมพ์แบบสวยงามคือการมีฮุก "in-visit" // เพื่อความง่าย ให้เราปรับโครงสร้างตรรกะการพิมพ์เล็กน้อย // หรือดีกว่านั้นคือ สร้าง PrintWalker โดยเฉพาะ ลองใช้ pre/post ต่อไปเพื่อแสดงการประเมินซึ่งเหมาะสมกว่า std::cout << " --- Evaluation Operation --- "; std::vector<double> eval_stack; auto eval_pre_visit = [](const auto&){}; // ไม่ทำอะไรเลยเมื่อ 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 << "Evaluation result: " << eval_stack.back() << std::endl; return 0; }
ดูตรรกะการประเมินสิ มันเข้ากับ traversal แบบ post-order ได้อย่างสมบูรณ์แบบ เราจะดำเนินการก็ต่อเมื่อค่าของ children ของมันถูกคำนวณและกดลงใน stack แล้วเท่านั้น `eval_post_visit` lambda จะจับ `eval_stack` และมีตรรกะทั้งหมดสำหรับการประเมิน ตรรกะนี้แยกออกจากคำจำกัดความของโหนดและ `TreeWalker` อย่างสมบูรณ์ เราได้บรรลุการแยกความรับผิดชอบสามทางที่สวยงาม: โครงสร้างข้อมูล (Nodes), อัลกอริทึมการท่องไป (`TreeWalker`), และ ตรรกะการดำเนินการ (แลมบ์ดา)
ประโยชน์ของแนวทาง Generic Visitor
กลยุทธ์การใช้งานนี้มอบข้อได้เปรียบที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการซอฟต์แวร์ขนาดใหญ่ที่ใช้งานยาวนาน
ความยืดหยุ่นและการขยายที่ไม่เหมือนใคร
นี่คือประโยชน์หลัก การเพิ่มการดำเนินการใหม่นั้นง่ายมาก คุณเพียงแค่เขียนชุดแลมบ์ดาใหม่และส่งไปยัง `TreeWalker` คุณไม่ต้องแก้ไขโค้ดที่มีอยู่ นี่เป็นไปตามหลักการ Open/Closed อย่างสมบูรณ์ การเพิ่มประเภทโหนดใหม่ต้องใช้การกำหนด struct และการอัปเดต alias `std::variant` ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงจุดเดียวที่จำกัดขอบเขต และจากนั้นจึงอัปเดต visitor ที่จำเป็นต้องจัดการกับมัน คอมไพเลอร์จะช่วยบอกคุณได้อย่างถูกต้องว่า lambda visitor ใดที่ขาด overload
การแยกความรับผิดชอบที่เหนือกว่า
เราได้แยกความรับผิดชอบสามประการอย่างชัดเจน:
- การแสดงข้อมูล: `Node` structs เป็นคอนเทนเนอร์ข้อมูลธรรมดาที่ไม่มีผล
- กลไกการท่องไป: `TreeWalker` class เป็นเจ้าของตรรกะเกี่ยวกับวิธีการนำทางโครงสร้างต้นไม้แต่เพียงผู้เดียว คุณสามารถสร้าง `InOrderTreeWalker` หรือ `BreadthFirstTreeWalker` ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงส่วนอื่นใดของระบบ
- ตรรกะการดำเนินการ: แลมบ์ดาที่ส่งไปยัง walker บรรจุตรรกะทางธุรกิจที่เฉพาะเจาะจงสำหรับงานที่กำหนด (การประเมิน การพิมพ์ การตรวจสอบประเภท ฯลฯ)
การแยกส่วนนี้ทำให้โค้ดเข้าใจ ทดสอบ และดูแลรักษาได้ง่ายขึ้น แต่ละส่วนมีหน้าที่เดียวที่กำหนดไว้อย่างดี
ความสามารถในการนำมาใช้ซ้ำที่เพิ่มขึ้น
`TreeWalker` สามารถนำมาใช้ซ้ำได้ไม่จำกัด ตรรกะการท่องไปถูกเขียนขึ้นเพียงครั้งเดียวและสามารถนำไปใช้กับการดำเนินการจำนวนไม่จำกัด ซึ่งช่วยลดการทำซ้ำโค้ดและโอกาสเกิดข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นจากการเขียนตรรกะการท่องไปใหม่ใน visitor ใหม่แต่ละรายการ
โค้ดที่กระชับและสื่อความหมาย
ด้วยคุณสมบัติของ C++ สมัยใหม่ โค้ดที่ได้มักจะกระชับกว่าการใช้งาน Visitor แบบคลาสสิก แลมบ์ดาช่วยให้สามารถกำหนดตรรกะการดำเนินการได้ในที่ที่ใช้ ซึ่งสามารถปรับปรุงความสามารถในการอ่านสำหรับ การดำเนินการที่ง่ายและเฉพาะที่ โครงสร้าง helper `Overloaded` สำหรับการสร้าง visitor จากชุดแลมบ์ดาเป็นรูปแบบทั่วไปและทรงพลังที่ทำให้การกำหนด visitor กระชับ
ข้อเสียและการพิจารณาที่เป็นไปได้
ไม่มีรูปแบบใดเป็นคำตอบสำเร็จรูป สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจข้อเสียเปรียบที่เกี่ยวข้อง
ความซับซ้อนในการตั้งค่าเริ่มต้น
การตั้งค่าเริ่มต้นของโครงสร้าง `Node` ด้วย `std::variant` และ `TreeWalker` generic อาจดูซับซ้อนกว่าการเรียกฟังก์ชันแบบเรียกซ้ำโดยตรง รูปแบบนี้ให้ประโยชน์สูงสุดในระบบที่โครงสร้างต้นไม้คงที่ แต่คาดว่าจำนวนการดำเนินการจะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป สำหรับงานประมวลผลต้นไม้แบบง่ายๆ ที่ทำครั้งเดียว อาจจะมากเกินไป
ประสิทธิภาพ
ประสิทธิภาพของรูปแบบนี้ใน C++ โดยใช้ `std::visit` นั้นยอดเยี่ยม `std::visit` มักจะถูกคอมไพเลอร์ใช้งานโดยใช้ jump table ที่ปรับให้เหมาะสมอย่างยิ่ง ทำให้การกระจายมีความรวดเร็วอย่างยิ่ง—มักจะเร็วกว่าการเรียกฟังก์ชันเสมือน ในภาษาอื่นๆ ที่อาจต้องพึ่งพา reflection หรือการค้นหาประเภทตามพจนานุกรมเพื่อทำงานแบบ generic ที่คล้ายกัน อาจมีค่าใช้จ่ายด้านประสิทธิภาพที่สังเกตได้เมื่อเทียบกับ visitor ที่มีการกระจายแบบคงที่แบบคลาสสิก
การขึ้นอยู่กับภาษา
ความสง่างามและประสิทธิภาพของการใช้งานเฉพาะนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติ C++17 อย่างมาก แม้ว่าหลักการจะสามารถถ่ายทอดได้ แต่รายละเอียดการใช้งานในภาษาอื่นจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ใน Java หนึ่งอาจใช้ sealed interface และ pattern matching ในเวอร์ชันสมัยใหม่ หรือ dispatcher ที่ใช้ map ที่มีรายละเอียดมากกว่าในเวอร์ชันเก่า
การใช้งานจริงและกรณีการใช้งาน
รูปแบบ Generic Visitor สำหรับ Tree Traversal ไม่ใช่แค่การฝึกเชิงวิชาการเท่านั้น แต่เป็นแกนหลักของระบบซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อนมากมาย
- คอมไพเลอร์และอินเทอร์พรีเตอร์: นี่คือกรณีการใช้งานที่เป็นแบบอย่าง Abstract Syntax Tree (AST) ถูกท่องไปหลายครั้งโดย "visitors" หรือ "passes" ที่แตกต่างกัน pass การวิเคราะห์ความหมายจะตรวจสอบข้อผิดพลาดของประเภท, pass การปรับให้เหมาะสมจะเขียนต้นไม้ใหม่เพื่อให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น, และ pass การสร้างโค้ดจะท่องไปในต้นไม้สุดท้ายเพื่อสร้าง machine code หรือ bytecode แต่ละ pass เป็นการดำเนินการที่แตกต่างกันบนโครงสร้างข้อมูลเดียวกัน
- เครื่องมือวิเคราะห์แบบสถิต: เครื่องมือต่างๆ เช่น linters, code formatters, และตัวสแกนความปลอดภัยจะแยกโค้ดเป็น AST จากนั้นจึงเรียกใช้ visitor ต่างๆ กับมันเพื่อค้นหารูปแบบ บังคับใช้กฎสไตล์ หรือตรวจจับช่องโหว่ที่อาจเกิดขึ้น
- การประมวลผลเอกสาร (DOM): เมื่อคุณจัดการเอกสาร XML หรือ HTML คุณกำลังทำงานกับต้นไม้ Generic visitor สามารถใช้เพื่อดึงลิงก์ทั้งหมด, แปลงรูปภาพทั้งหมด, หรือ serialize เอกสารไปยังรูปแบบอื่น
- เฟรมเวิร์ก UI: เฟรมเวิร์ก UI สมัยใหม่จะแสดงส่วนต่อประสานผู้ใช้เป็นต้นไม้คอมโพเนนต์ การท่องไปในต้นไม้นี้จำเป็นสำหรับการเรนเดอร์, การกระจายการอัปเดตสถานะ (เช่น ในอัลกอริทึมการกระทบยอดของ React), หรือการกระจายเหตุการณ์
- Scene Graphs ในกราฟิก 3 มิติ: ฉาก 3 มิติ มักจะแสดงเป็นลำดับชั้นของออบเจกต์ การท่องไปจำเป็นสำหรับการใช้การแปลง, การจำลองฟิสิกส์, และการส่งออบเจกต์ไปยัง pipeline การเรนเดอร์ Generic walker สามารถใช้การดำเนินการเรนเดอร์, จากนั้นนำมาใช้ซ้ำเพื่อใช้การดำเนินการอัปเดตฟิสิกส์
บทสรุป: ระดับนามธรรมใหม่
รูปแบบ Generic Visitor โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้งานด้วย `TreeWalker` เฉพาะ ถือเป็นการพัฒนาที่ทรงพลังในการออกแบบซอฟต์แวร์ มันนำคำสัญญาเดิมของรูปแบบ Visitor—การแยกข้อมูลและการดำเนินการ—มาสู่ระดับที่สูงขึ้น โดยการแยกตรรกะที่ซับซ้อนของการท่องไปออกด้วย
ด้วยการแยกปัญหาออกเป็นส่วนประกอบสามส่วนที่แตกต่างกันและตั้งฉากกัน—ข้อมูล, การท่องไป, และการดำเนินการ—เราสร้างระบบที่สามารถแยกส่วนได้ ดูแลรักษาได้ และทนทานยิ่งขึ้น ความสามารถในการเพิ่มการดำเนินการใหม่โดยไม่ต้องแก้ไขโครงสร้างข้อมูลหลักหรือโค้ดการท่องไปเป็นชัยชนะครั้งใหญ่สำหรับสถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ `TreeWalker` กลายเป็นทรัพย์สินที่นำมาใช้ซ้ำได้ซึ่งสามารถขับเคลื่อนคุณสมบัติได้หลายสิบรายการ ทำให้มั่นใจได้ว่าตรรกะการท่องไปมีความสอดคล้องและถูกต้องทุกที่ที่ถูกใช้งาน
แม้ว่าจะต้องมีการลงทุนเบื้องต้นในการทำความเข้าใจและการตั้งค่า แต่รูปแบบ generic tree traversal visitor ก็ให้ผลตอบแทนตลอดอายุการใช้งานของโครงการ สำหรับนักพัฒนาที่ทำงานกับข้อมูลแบบลำดับชั้นที่ซับซ้อน นี่เป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการเขียนโค้ดที่สะอาด ยืดหยุ่น และคงทน