怎么使用Python实现一个简单的四则运算解释器

本文小编为大家详细介绍“怎么使用Python实现一个简单的四则运算解释器”，内容详细，步骤清晰，细节处理妥当，希望这篇“怎么使用Python实现一个简单的四则运算解释器”文章能帮助大家解决疑惑，下面跟着小编的思路慢慢深入，一起来学习新知识吧。

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计算功能演示

这里先展示了程序的帮助信息，然后是几个简单的四则运算测试，看起来是没问题了（我可不敢保证，程序没有bug！）。

输出 tokens

输出 AST

这个格式化的 JSON 信息太长了，不利于直接看到。我们将它渲染出来看最后生成的树形图。保存下面这个 JSON 在一个文件中，这里我叫做 demo.json，然后执行如下命令：pytm-cli -d LR -i demo.json -o demo.html，然后再浏览器打开生成的 html 文件。

代码

所有的代码都在这里了，只需要一个文件 my_eval.py，想要运行的话，复制、粘贴，然后按照演示的步骤执行即可。

Node、BinOp、Constan 是用来表示节点的类.
Calculator 中 lexizer 方法是进行分词的，本来我是打算使用正则的，如果你看过我前面的博客的话，可以发现我是用的正则来分词的（因为 Python 的官方文档正则表达式中有一个简易的分词程序）。不过我看其他人都是手写的分词，所以我也这样做了，不过感觉并不是很好，很繁琐，而且容易出错。
parse 方法是进行解析的，主要是解析表达式的结构，判断是否符合四则运算的文法，最终生成表达式树（它的 AST）。

"""
Grammar

G -> E
E -> T E'
E' -> '+' T E' | '-' T E' | ɛ
T -> F T'
T' -> '*' F T' | '/' F T' | ɛ
F -> '(' E ')' | num | name

"""

import json
import argparse


class Node:
    """
    简单的抽象语法树节点，定义一些需要使用到的具有层次结构的节点
    """

    def eval(self) -> float: ...   # 节点的计算方法
    def visit(self): ...           # 节点的访问方法


class BinOp(Node):
    """
    BinOp Node
    """

    def __init__(self, left, op, right) -> None:
        self.left = left
        self.op = op
        self.right = right

    def eval(self) -> float:
        if self.op == "+":
            return self.left.eval() + self.right.eval()
        if self.op == "-":
            return self.left.eval() - self.right.eval()
        if self.op == "*":
            return self.left.eval() * self.right.eval()
        if self.op == "/":
            return self.left.eval() / self.right.eval()
        return 0

    def visit(self):
        """
        遍历树的各个节点，并生成 JSON 表示
        """

        return {
            "name": "BinOp",
            "children": [
                self.left.visit(),
                {
                    "name": "OP",
                    "children": [
                        {
                            "name": self.op
                        }
                    ]
                },
                self.right.visit()
            ]
        }


class Constant(Node):
    """
    Constant Node
    """

    def __init__(self, value) -> None:
        self.value = value

    def eval(self) -> float:
        return self.value

    def visit(self):
        return {
            "name": "NUMBER",
            "children": [
                {
                    "name": str(self.value)  # 转成字符是因为渲染成图像时，需要该字段为 str
                }
            ]
        }


class Calculator:
    """
    Simple Expression Parser
    """

    def __init__(self, expr) -> None:
        self.expr = expr           # 输入的表达式
        self.parse_end = False     # 解析是否结束，默认未结束
        self.toks = []             # 解析的 tokens
        self.index = 0             # 解析的下标

    def lexizer(self):
        """
        分词
        """
        index = 0
        while index < len(self.expr):
            ch = self.expr[index]
            if ch in [" ", "\r", "\n"]:
                index += 1
                continue
            if '0' <= ch <= '9':
                num_str = ch
                index += 1
                while index < len(self.expr):
                    n = self.expr[index]
                    if '0' <= n <= '9':
                        if ch == '0':
                            raise Exception("Invalid number!")
                        num_str = n
                        index += 1
                        continue
                    break
                self.toks.append({
                    "kind": "INT",
                    "value": int(num_str)
                })
            elif ch in ['+', '-', '*', '/', '(', ')']:
                self.toks.append({
                    "kind": ch,
                    "value": ch
                })
                index += 1
            else:
                raise Exception("Unkonwn character!")

    def get_token(self):
        """
        获取当前位置的 token
        """
        if 0 <= self.index < len(self.toks):
            tok = self.toks[self.index]
            return tok
        if self.index == len(self.toks):  # token解析结束
            return {
                "kind": "EOF",
                "value": "EOF"
            }
        raise Exception("Encounter Error, invalid index = ", self.index)

    def move_token(self):
        """
        下标向后移动一位
        """
        self.index += 1

    def parse(self) -> Node:
        """
        G -> E
        """
        # 分词
        self.lexizer()
        # 解析
        expr_tree = self.parse_expr()
        if self.parse_end:
            return expr_tree
        else:
            raise Exception("Invalid expression!")

    def parse_expr(self):
        """
        E -> T E'
        E' -> + T E' | - T E' | ɛ
        """
        # E -> E E'
        left = self.parse_term()
        # E' -> + T E' | - T E' | ɛ
        while True:
            tok = self.get_token()
            kind = tok["kind"]
            value = tok["value"]

            if tok["kind"] == "EOF":
                # 解析结束的标志
                self.parse_end = True
                break
            if kind in ["+", "-"]:
                self.move_token()
                left = BinOp(left, value, self.parse_term())
            else:
                break

        return left

    def parse_term(self):
        """
        T -> F T'
        T' -> * F T' | / F T' | ɛ
        """
        # T -> F T'
        left = self.parse_factor()
        # T' -> * F T' | / F T' | ɛ
        while True:
            tok = self.get_token()
            kind = tok["kind"]
            value = tok["value"]

            if kind in ["*", "/"]:
                self.move_token()
                right = self.parse_factor()
                left = BinOp(left, value, right)
            else:
                break

        return left

    def parse_factor(self):
        """
        F -> '(' E ')' | num | name
        """
        tok = self.get_token()
        kind = tok["kind"]
        value = tok["value"]
        if kind == '(':
            self.move_token()
            expr_node = self.parse_expr()
            if self.get_token()["kind"] != ")":
                raise Exception("Encounter Error, expected )!")
            self.move_token()
            return expr_node
        if kind == "INT":
            self.move_token()
            return Constant(value=value)

        raise Exception("Encounter Error, unknown factor: ", kind)


if __name__ == "__main__":
    # 添加命令行参数解析器
    cmd_parser = argparse.ArgumentParser(
        description="Simple Expression Interpreter!")
    group = cmd_parser.add_mutually_exclusive_group()
    group.add_argument("--tokens", help="print tokens", action="store_true")
    group.add_argument("--ast", help="print ast in JSON", action="store_true")
    cmd_parser.add_argument(
        "expr", help="expression, contains ['+', '-', '*', '/', '(', ')', 'num']")
    args = cmd_parser.parse_args()

    calculator = Calculator(expr=args.expr)
    tree = calculator.parse()
    if args.tokens:   # 输出 tokens
        for t in calculator.toks:
            print(f"{t['kind']:3s} ==> {t['value']}")
    elif args.ast:    # 输出 JSON 表示的 AST
        print(json.dumps(tree.visit(), indent=4))
    else:             # 计算结果
        print(tree.eval())

读到这里，这篇“怎么使用Python实现一个简单的四则运算解释器”文章已经介绍完毕，想要掌握这篇文章的知识点还需要大家自己动手实践使用过才能领会，如果想了解更多相关内容的文章，欢迎关注创新互联行业资讯频道。