简单四则运算语法树可视化
前几天有一篇博客是关于四则运算和二叉树的，我是把四则运算用二叉树写出来（我是用的 JSON 的形式来存储和表达的），并计算最终的结果。最近，也在继续这个方面的东西，不过遇到一些问题。所以想着先做一些简单是事情，也许会更好吧。这篇博客的内容也很简单，就是给定一个四则运算的表达式，画出它的语法树。如果了解过这方面知识的人，应该都能大致画出来，不过其实也是挺费事的。如果包含了多层括号嵌套，也注定了是一个费时费力的事情。这种机械的事情，让程序自己来做是最好不过的了。所以，接下来我会用到 Python 自带的 ast 库来解析四则运算（杀鸡用牛刀，哈哈）。
如果想要动手尝试一下，需要安装一下这个 python 可视化库。
解析 AST
Python 的 ast 库有一个 parse 方法，可以把传入的内容，解析成一个 AST。然后我们使用 ast.dump 将其导出并打印。
注意：indent 这个参数是 Python 3.9 以后才有的，如果版本低的话，可以去掉，只会影响最后输出的格式。
好了，就是这么简单。我们已经做到了，因为这个库的功能很强大，但是这里只是用到一点点而已。其实这里已经可以看出基本的结构了，不过我的目的是生成这棵树的 JSON 表示。我想要使用上面的 Python 绘图库把它绘制出来，它所支持的输入是 JSON，并且它的格式为：
{
"name": "A",
"children": [
"name": "B",
"children": []
]
}
粗糙的遍历方法
"""
Python's AST
利用 Python 的 ast 模块来解析表达式（简单的二元运算），
然后通过遍历语法树来生成 JSON 表示，再使用 PYthon 的库来
将其可视化。这个程序的目的是为了验证自己写的简易解析器是否正确。
"""
import ast
import json
# 操作类型和操作符映射的字典
OPERATORS = {
ast.Add: "+",
ast.Sub: "-",
ast.Mult: "*",
ast.Div: "/"
}
def generate(tree: ast.Module):
"""
generate expression AST's representation of JSON
"""
if not tree:
raise Exception("Emtpy AST tree!")
if tree.__class__ == ast.Module:
print(json.dumps({
"name": "Expr",
"children": [DFS(tree.body[0].value)] # type: ignore
}, indent=4))
def DFS(node):
"""
DFS AST
"""
if not node:
return {}
if node.__class__ == ast.BinOp:
return {
"name": "BinOp",
"children": [
{
"name": "left",
"children": [
DFS(node.left)
]
},
DFS(node.op),
{
"name": "left",
"children": [
DFS(node.right)
]
}
]
}
if node.__class__ == ast.Constant:
return {
"name": "NUMBER",
"children": [
{
"name": str(node.value) # Python 的绘图库，必须是字符串才能正常显示
}
]
}
if node.__class__ in [ast.Add, ast.Sub, ast.Mult, ast.Div]:
return {
"name": "Op",
"children": [
{
"name": OPERATORS[node.__class__]
}
]
}
# 这里我只处理 加减乘除和数字类型的运行
raise Exception("There is not support extra type.")
if __name__ == "__main__":
ast_tree = ast.parse("1+2+3+4+5")
print(ast.dump(ast_tree, indent=4))
generate(ast_tree)
运行结果：
我这里会输出两个东西，一个是 AST 的 dump；另一个是 AST 的 JSON 表示（逻辑结构的 JSON 表示，不是对象的 JSON 表示）。
渲染显示
把打印出来的 JSON 字符串复制进文件，命名为 data.json。我感觉直接输出到控制台蛮有意思的，我喜欢直接看到它的结果。
执行如下命令：pytm-cli -d TB -i data.json -o demo.html
在浏览器打开 demo.html 即可看到效果了。
主流的遍历方法
上面这种遍历方法虽然便于理解，但是难以扩展。AST 通常是通过 访问者模式 进行遍历的，而且 ast 库也提供了几种遍历方法。
因为这里只需要遍历来生成 JSON，并不需要修改AST本身，所以我们只看下面这两种即可。显然第一种是不能用的，原因已经用蓝色标记出来了。它自己说了如果你不关心上下文，因为生成 JSON 实际上是需要关注这个的。所以，我选择下面的 ast.NodeVisitor。使用它也很简单，继承这个类，然后对不同的节点写不同的处理逻辑就行了（这样把不同节点的逻辑分开了，降低了代码的耦合性）。
完整代码
"""
Python's AST
利用 Python 的 ast 模块来解析表达式（简单的二元运算），
然后通过遍历语法树来生成 JSON 表示，再使用 PYthon 的库来
将其可视化。这个程序的目的是为了验证自己写的简易解析器是否正确。
"""
import ast
import json
# 操作类型和操作符映射的字典
OPERATORS = {
ast.Add: "+",
ast.Sub: "-",
ast.Mult: "*",
ast.Div: "/"
}
class JSONVisitor(ast.NodeVisitor):
"""
JSON visitor: Traversal AST and generate JSON representation
"""
def visit_Module(self, node):
module = {
"name": "Module",
"children": []
}
for sub_node in node.body:
module["children"].append(self.visit(sub_node))
return module
def visit_Expr(self, node):
return {
"name": "Expr",
"children": [
self.visit(node.value)
]
}
def visit_BinOp(self, node):
return {
"name": "BinOp",
"children": [
{
"name": "left",
"children": [
self.visit(node.left)
]
},
self.visit(node.op),
{
"name": "right",
"children": [
self.visit(node.right)
]
}
]
}
def visit_Constant(self, node):
return {
"name": "NUMBER",
"children": [{
"name": str(node.value) # # Python 的绘图库，必须是字符串才能正常显示
}]
}
def visit_Add(self, node):
return self.__visit(node)
def visit_Sub(self, node):
return self.__visit(node)
def visit_Mult(self, node):
return self.__visit(node)
def visit_Div(self, node):
return self.__visit(node)
def __visit(self, node):
return {
"name": "Op",
"children": [{
"name": OPERATORS[node.__class__]
}]
}
if __name__ == "__main__":
ast_tree = ast.parse("1+2+3+4+5")
visitor = JSONVisitor()
json_str = visitor.visit(ast_tree)
print(json.dumps(json_str, indent=4))
前面那个粗糙版本是直接从 Expr 开始的，这个优雅点的版本，我就把 Module 节点也添加进去了。
说明
这个东西挺有趣的，如果想要了解这些知识的话，可以来看看这个图示。这也相当于给自己写了一个小工具了，我之后还会用到它来对比我自己生成的 AST，如果不一样，那一定是我写的有问题了。
