Python 如何实现访问者模式

问题

你要处理由大量不同类型的对象组成的复杂数据结构，每一个对象都需要需要进行不同的处理。比如，遍历一个树形结构，然后根据每个节点的相应状态执行不同的操作。

解决方案

这里遇到的问题在编程领域中是很普遍的，有时候会构建一个由大量不同对象组成的数据结构。假设你要写一个表示数学表达式的程序，那么你可能需要定义如下的类：

class Node: passclass UnaryOperator(Node): def __init__(self, operand): self.operand = operandclass BinaryOperator(Node): def __init__(self, left, right): self.left = left self.right = rightclass Add(BinaryOperator): passclass Sub(BinaryOperator): passclass Mul(BinaryOperator): passclass Div(BinaryOperator): passclass Negate(UnaryOperator): passclass Number(Node): def __init__(self, value): self.value = value

然后利用这些类构建嵌套数据结构，如下所示：

# Representation of 1 + 2 * (3 - 4) / 5t1 = Sub(Number(3), Number(4))t2 = Mul(Number(2), t1)t3 = Div(t2, Number(5))t4 = Add(Number(1), t3)

这样做的问题是对于每个表达式，每次都要重新定义一遍，有没有一种更通用的方式让它支持所有的数字和操作符呢。这里我们使用访问者模式可以达到这样的目的：

class NodeVisitor: def visit(self, node): methname = ’visit_’ + type(node).__name__ meth = getattr(self, methname, None) if meth is None: meth = self.generic_visit return meth(node) def generic_visit(self, node): raise RuntimeError(’No {} method’.format(’visit_’ + type(node).__name__))

为了使用这个类，可以定义一个类继承它并且实现各种 visit_Name() 方法，其中Name是node类型。例如，如果你想求表达式的值，可以这样写：

class Evaluator(NodeVisitor): def visit_Number(self, node): return node.value def visit_Add(self, node): return self.visit(node.left) + self.visit(node.right) def visit_Sub(self, node): return self.visit(node.left) - self.visit(node.right) def visit_Mul(self, node): return self.visit(node.left) * self.visit(node.right) def visit_Div(self, node): return self.visit(node.left) / self.visit(node.right) def visit_Negate(self, node): return -node.operand

使用示例：

>>> e = Evaluator()>>> e.visit(t4)0.6>>>

作为一个不同的例子，下面定义一个类在一个栈上面将一个表达式转换成多个操作序列：

class StackCode(NodeVisitor): def generate_code(self, node): self.instructions = [] self.visit(node) return self.instructions def visit_Number(self, node): self.instructions.append((’PUSH’, node.value)) def binop(self, node, instruction): self.visit(node.left) self.visit(node.right) self.instructions.append((instruction,)) def visit_Add(self, node): self.binop(node, ’ADD’) def visit_Sub(self, node): self.binop(node, ’SUB’) def visit_Mul(self, node): self.binop(node, ’MUL’) def visit_Div(self, node): self.binop(node, ’DIV’) def unaryop(self, node, instruction): self.visit(node.operand) self.instructions.append((instruction,)) def visit_Negate(self, node): self.unaryop(node, ’NEG’)

使用示例：

>>> s = StackCode()>>> s.generate_code(t4)[(’PUSH’, 1), (’PUSH’, 2), (’PUSH’, 3), (’PUSH’, 4), (’SUB’,),(’MUL’,), (’PUSH’, 5), (’DIV’,), (’ADD’,)]>>>

讨论

刚开始的时候你可能会写大量的if/else语句来实现，这里访问者模式的好处就是通过 getattr() 来获取相应的方法，并利用递归来遍历所有的节点：

def binop(self, node, instruction): self.visit(node.left) self.visit(node.right) self.instructions.append((instruction,))

还有一点需要指出的是，这种技术也是实现其他语言中switch或case语句的方式。比如，如果你正在写一个HTTP框架，你可能会写这样一个请求分发的控制器：

class HTTPHandler: def handle(self, request): methname = ’do_’ + request.request_method getattr(self, methname)(request) def do_GET(self, request): pass def do_POST(self, request): pass def do_HEAD(self, request): pass

访问者模式一个缺点就是它严重依赖递归，如果数据结构嵌套层次太深可能会有问题，有时候会超过Python的递归深度限制(参考 sys.getrecursionlimit() )。

在跟解析和编译相关的编程中使用访问者模式是非常常见的。Python本身的 ast 模块值的关注下，可以去看看源码。

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