Go语言中怎么实现一个表达式求值器
Go语言中怎么实现一个表达式求值器，针对这个问题，这篇文章详细介绍了相对应的分析和解答，希望可以帮助更多想解决这个问题的小伙伴找到更简单易行的方法。
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定义接口和类型
开始，先确定要使用一个接口 Expr 来代表这种语言的任意一个表达式。暂时没有任何方法，稍后再逐个添加：
// Expr: 算术表达式
type Expr interface{}我们的表达式语言将包括以下符号：
浮点数字面量
二元操作符：加减乘除（+、-、*、\/）
一元操作符：表示正数和负数的 -x 和 +x
函数调用：pow(x,y)、sin(x) 和 sqrt(x)
变量：比如 x、pi，自己定义一个变量名称，每次可以提供不用的值
还要有标准的操作符优先级，以及小括号。所有的值都是 float64 类型。
下面是几个示例表达式：
sqrt(A / pi) pow(x, 3) + pow(y, 3) (F - 32) * 5 / 9
下面5种具体类型代表特定类型的表达式：
Var ： 代表变量引用。这个类型是可导出的，至于为什么，后面会讲明
literal ： 代表浮点数常量
unary ： 代表有一个操作数的操作符表达式，操作数可以是任意的 Expr
binary ： 代表有两个操作数的操作符表达式，操作数可以是任意的 Expr
call ： 代表函数调用，这里限制它的 fn 字段只能是 pow、sin、sqrt
为了要计算包含变量的表达式，还需要一个上下文（environment）来把变量映射到数值。所有接口和类型的定义如下：
package eval
// Expr: 算术表达式
type Expr interface {
// 返回表达式在 env 上下文下的值
Eval(env Env) float64
// Check 方法报告表达式中的错误，并把表达式中的变量加入 Vars 中
Check(vars map[Var]bool) error
}
// Var 表示一个变量，比如：x.
type Var string
// Env 变量到数值的映射关系
type Env map[Var]float64
// literal 是一个数字常量，比如：3.1415926
type literal float64
// unary 表示一元操作符表达式，比如：-x
type unary struct {
op rune // one of '+', '-'
x Expr
}
// binary 表示二元操作符表达式，比如：x+y.
type binary struct {
op rune // one of '+', '-', '*', '/'
x, y Expr
}
// call 表示函数调用表达式，比如：sin(x).
type call struct {
fn string // one of "pow", "sin", "sqrt"
args []Expr
}在定义好各种类型后，发现每个类型都需要提供一个 Eval 方法，于是加把这个方法加到接口中，已经添加到上面的代码中了。
这个包只导出了 Expr、Var、Env。客户端可以在不接触其他表达式类型的情况下使用这个求值器。
定义方法
接下来实现每个类型的 Eval 方法来满足接口：
Var 的 Eval 方法从上下文中查询结果，如果变量不存在，则会返回0。
literal 的 Eval 方法直接返回本身的值。
unbary 的 Eval 方法首先对操作数递归求值，然后应用 op 操作符。
binary 的 Eval 方法的处理逻辑和 unbary 一样。
call 的 Eval 方法先对 pow、sin、sqrt 函数的参数求值，再调用 math 包中的对应函数。
package eval
import (
"fmt"
"math"
)
func (v Var) Eval(env Env) float64 {
return env[v] // 如果查询不到变量名，则返回类型的零值，就是0
}
func (l literal) Eval(_ Env) float64 {
return float64(l)
}
func (u unary) Eval(env Env) float64 {
switch u.op {
case '+':
return +u.x.Eval(env)
case '-':
return -u.x.Eval(env)
}
panic(fmt.Sprintf("unsupported unary operator: %q", u.op))
}
func (b binary) Eval(env Env) float64 {
switch b.op {
case '+':
return b.x.Eval(env) + b.y.Eval(env)
case '-':
return b.x.Eval(env) - b.y.Eval(env)
case '*':
return b.x.Eval(env) * b.y.Eval(env)
case '/':
return b.x.Eval(env) / b.y.Eval(env)
}
panic(fmt.Sprintf("unsupported binary operator: %q", b.op))
}
func (c call) Eval(env Env) float64 {
switch c.fn {
case "pow":
return math.Pow(c.args[0].Eval(env), c.args[1].Eval(env))
case "sin":
return math.Sin(c.args[0].Eval(env))
case "sqrt":
return math.Sqrt(c.args[0].Eval(env))
}
panic(fmt.Sprintf("unsupported function call: %s", c.fn))
}某些方法可能会失败，有些错误会导致 Eval 崩溃，还有些会导致返回不正确的结果。所有这些错误可以在求值之前做检查来发现，所以还需要一个Check方法。不过暂时可以先不管Check方法，而是把 Eval 方法用起来，并通过测试进行验证。
Parse函数
要验证 Eval 方法，首先需要得到对象，然后调用对像的 Eval 方法。而对象需要通过解析字符串来获取，这就需要一个 Parse 函数。
text/scanner 包的使用
词法分析器 lexer 使用 text/scanner 包提供的扫描器 Scanner 类型来把输入流分解成一系列的标记（token），包括注释、标识符、字符串字面量和数字字面量。扫描器的 Scan 方法将提前扫描并返回下一个标记（类型为 rune）。大部分标记（比如'('）都只包含单个rune，但 text/scanner 包也可以支持由多个字符组成的记号。调用 Scan 会返回标记的类型，调用 TokenText 则会返回标记的文本。
因为每个解析器可能需要多次使用当前的记号，但是 Scan 会一直向前扫描，所以把扫描器封装到一个 lexer 辅助类型中，其中保存了 Scan 最近返回的标记。下面是一个简单的用法示例：
package main
import (
"fmt"
"os"
"strings"
"text/scanner"
)
type lexer struct {
scan scanner.Scanner
token rune // 当前标记
}
func (lex *lexer) next() { lex.token = lex.scan.Scan() }
func (lex *lexer) text() string { return lex.scan.TokenText() }
// consume 方法并没有被使用到，包括后面的Pause函数
// 不过这是一个可复用的处理逻辑
func (lex *lexer) consume(want rune) {
if lex.token != want { // 注意: 错误处理不是这篇的重点，简单粗暴的处理了
panic(fmt.Sprintf("got %q, want %q", lex.text(), want))
}
lex.next()
}
func main() {
for _, input := range os.Args[1:] {
lex := new(lexer)
lex.scan.Init(strings.NewReader(input))
lex.scan.Mode = scanner.ScanIdents | scanner.ScanInts | scanner.ScanFloats
fmt.Println(input, ":")
lex.next()
for lex.token != scanner.EOF {
fmt.Println("\t", scanner.TokenString(lex.token), lex.text())
lex.next()
}
}
}执行效果如下：
PS G:\Steed\Documents\Go\src\localdemo\parse> go run main.go "sqrt(A / pi)" "pow(x, 3) + pow(y, 3)" "(F - 32) * 5 / 9"
sqrt(A / pi) :
Ident sqrt
"(" (
Ident A
"/" /
Ident pi
")" )
pow(x, 3) + pow(y, 3) :
Ident pow
"(" (
Ident x
"," ,
Int 3
")" )
"+" +
Ident pow
"(" (
Ident y
"," ,
Int 3
")" )
(F - 32) * 5 / 9 :
"(" (
Ident F
"-" -
Int 32
")" )
"*" *
Int 5
"/" /
Int 9
PS G:\Steed\Documents\Go\src\localdemo\parse>Parse 函数
Parse 函数，递归地将字符串解析为表达式，下面是完整的代码：
package eval
import (
"fmt"
"strconv"
"strings"
"text/scanner"
)
type lexer struct {
scan scanner.Scanner
token rune // 当前标记
}
func (lex *lexer) next() { lex.token = lex.scan.Scan() }
func (lex *lexer) text() string { return lex.scan.TokenText() }
type lexPanic string
// describe 返回一个描述当前标记的字符串，用于错误处理
func (lex *lexer) describe() string {
switch lex.token {
case scanner.EOF:
return "end of file"
case scanner.Ident:
return fmt.Sprintf("identifier %s", lex.text())
case scanner.Int, scanner.Float:
return fmt.Sprintf("number %s", lex.text())
}
return fmt.Sprintf("%q", rune(lex.token)) // any other rune
}
func precedence(op rune) int {
switch op {
case '*', '/':
return 2
case '+', '-':
return 1
}
return 0
}
// Parse 将字符串解析为表达式
//
// expr = num a literal number, e.g., 3.14159
// | id a variable name, e.g., x
// | id '(' expr ',' ... ')' a function call
// | '-' expr a unary operator (+-)
// | expr '+' expr a binary operator (+-*/)
//
func Parse(input string) (_ Expr, err error) {
defer func() {
// 选择性地使用 recover
// 已经将 panic value 设置成特殊类型 lexPanic
// 在 recover 时对 panic value 进行检查
switch x := recover().(type) {
case nil:
// no panic
case lexPanic:
// 如果发现 panic value 是特殊类型，就将这个 panic 作为 errror 处理
err = fmt.Errorf("%s", x)
default:
// 如果不是，则按照正常的 panic 进行处理
panic(x)
}
}()
lex := new(lexer)
lex.scan.Init(strings.NewReader(input))
lex.scan.Mode = scanner.ScanIdents | scanner.ScanInts | scanner.ScanFloats
lex.next() // 获取第一个标记
e := parseExpr(lex)
if lex.token != scanner.EOF {
return nil, fmt.Errorf("unexpected %s", lex.describe())
}
return e, nil
}
func parseExpr(lex *lexer) Expr { return parseBinary(lex, 1) }
// binary = unary ('+' binary)*
// parseBinary 遇到优先级低于 prec1 的运算符时就停止
// 这个递归处理计算优先级的循环策略比较难理解
func parseBinary(lex *lexer, prec1 int) Expr {
lhs := parseUnary(lex)
for prec := precedence(lex.token); prec >= prec1; prec-- {
for precedence(lex.token) == prec {
op := lex.token
lex.next() // consume operator
rhs := parseBinary(lex, prec+1) // 优先级加1，进入下一次递归
lhs = binary{op, lhs, rhs}
}
}
return lhs
}
// unary = '+' expr | primary
func parseUnary(lex *lexer) Expr {
if lex.token == '+' || lex.token == '-' {
op := lex.token
lex.next() // consume '+' or '-'
return unary{op, parseUnary(lex)}
}
return parsePrimary(lex)
}
// primary = id
// | id '(' expr ',' ... ',' expr ')'
// | num
// | '(' expr ')'
func parsePrimary(lex *lexer) Expr {
switch lex.token {
case scanner.Ident:
id := lex.text()
lex.next() // consume Ident
if lex.token != '(' {
return Var(id)
}
lex.next() // consume '('
var args []Expr
if lex.token != ')' {
for {
args = append(args, parseExpr(lex))
if lex.token != ',' {
break
}
lex.next() // consume ','
}
if lex.token != ')' {
msg := fmt.Sprintf("got %q, want ')'", lex.token)
panic(lexPanic(msg))
}
}
lex.next() // consume ')'
return call{id, args}
case scanner.Int, scanner.Float:
f, err := strconv.ParseFloat(lex.text(), 64)
if err != nil {
panic(lexPanic(err.Error()))
}
lex.next() // consume number
return literal(f)
case '(':
lex.next() // consume '('
e := parseExpr(lex)
if lex.token != ')' {
msg := fmt.Sprintf("got %s, want ')'", lex.describe())
panic(lexPanic(msg))
}
lex.next() // consume ')'
return e
}
msg := fmt.Sprintf("unexpected %s", lex.describe())
panic(lexPanic(msg))
}整体的逻辑都比较难理解。parseBinary 函数是负责解析二元表达式的，其中包括了对运算符优先级的处理（逻辑比较难懂，自己想不出来，看也没完全看懂，以后有类似的实现或许可以借鉴）。
测试函数
下面的 TestEval 函数用于测试求值器，它使用 testing 包，使用基于表的测试方式。表格中定义了三个表达式并为每个表达式准备了不同的上下文。第一个表达式用于根据圆面积A求半径，第二个用于计算两个变量x和y的立方和，第三个把华氏温度F转为摄氏温度：
package eval
import (
"fmt"
"math"
"testing"
)
func TestEval(t *testing.T) {
tests := []struct {
expr string
env Env
want string
}{
{"sqrt(A / pi)", Env{"A": 87616, "pi": math.Pi}, "167"},
{"pow(x, 3) + pow(y, 3)", Env{"x": 12, "y": 1}, "1729"},
{"pow(x, 3) + pow(y, 3)", Env{"x": 9, "y": 10}, "1729"},
{"5 / 9 * (F - 32)", Env{"F": -40}, "-40"},
{"5 / 9 * (F - 32)", Env{"F": 32}, "0"},
{"5 / 9 * (F - 32)", Env{"F": 212}, "100"},
}
var prevExpr string
for _, test := range tests {
// 仅在表达式变更时才输出
if test.expr != prevExpr {
fmt.Printf("\n%s\n", test.expr)
prevExpr = test.expr
}
expr, err := Parse(test.expr)
if err != nil {
t.Error(err) // 解析出错
continue
}
got := fmt.Sprintf("%.6g", expr.Eval(test.env))
fmt.Printf("\t%v => %s\n", test.env, got)
if got != test.want {
t.Errorf("%s.Eval() in %v = %q, want %q\n", test.expr, test.env, got, test.want)
}
}
}对于表格中的每一行记录，先解析表达式，在上下文中求值，再输出表达式。启用 -v 选项查看测试的输出：
PS G:\Steed\Documents\Go\src\gopl\output\expression_evaluator\eval> go test -v === RUN TestEval sqrt(A / pi) map[A:87616 pi:3.141592653589793] => 167 pow(x, 3) + pow(y, 3) map[x:12 y:1] => 1729 map[x:9 y:10] => 1729 5 / 9 * (F - 32) map[F:-40] => -40 map[F:32] => 0 map[F:212] => 100 --- PASS: TestEval (0.00s) PASS ok gopl/output/expression_evaluator/eval 0.329s PS G:\Steed\Documents\Go\src\gopl\output\expression_evaluator\eval>
check 方法
到目前为止，所有的输入都是合法的，但是并不是总能如此。即使在解释性语言中，通过语法检查来发现静态错误（即不用运行程序也能检测出来的错误）也是很常见的。通过分离静态检查和动态检查，可以更快发现错误，也可以只在运行前检查一次，而不用在表达式求值时每次都检查。
现在就给 Expr 加上一个 Check 方法，用于在表达式语法树上检查静态错误。这个 Check 方法有一个 vars 参数，并不是因为需要传参，而是为了让递归调用的实现起来更方便，具体看后面的代码和说明：
// Expr: 算术表达式
type Expr interface {
// 返回表达式在 env 上下文下的值
Eval(env Env) float64
// Check 方法报告表达式中的错误，并把表达式中的变量加入 Vars 中
Check(vars map[Var]bool) error
}具体的 Check 方法如下所示。literal 和 Var 的求值不可能出错，所以直接返回 nil。unary 和 binary 的方法首先检查操作符是否合法，再递归地检查操作数。类似地，call 的方法首先检查函数是否是已知的，然后检查参数个数，最后递归地检查每个参数：
package eval
import (
"fmt"
"strings"
)
func (v Var) Check(vars map[Var]bool) error {
vars[v] = true
return nil
}
func (literal) Check(vars map[Var]bool) error {
return nil
}
func (u unary) Check(vars map[Var]bool) error {
if !strings.ContainsRune("+-", u.op) {
return fmt.Errorf("unexpected unary op %q", u.op)
}
return u.x.Check(vars)
}
func (b binary) Check(vars map[Var]bool) error {
if !strings.ContainsRune("+-*/", b.op) {
return fmt.Errorf("unexpected binary op %q", b.op)
}
if err := b.x.Check(vars); err != nil {
return err
}
return b.y.Check(vars)
}
func (c call) Check(vars map[Var]bool) error {
arity, ok := numParams[c.fn]
if !ok {
return fmt.Errorf("unknown function %q", c.fn)
}
if len(c.args) != arity {
return fmt.Errorf("call to %s has %d args, want %d",
c.fn, len(c.args), arity)
}
for _, arg := range c.args {
if err := arg.Check(vars); err != nil {
return err
}
}
return nil
}
// 已知的函数名称和对应的参数个数
var numParams = map[string]int{"pow": 2, "sin": 1, "sqrt": 1}关于递归的实现。Check 的输入参数是一个 Var 集合，这个集合是表达式中的变量名。要让表达式能成功求值，上下文必须包含所有的变量。从逻辑上来讲，这个集合应当是 Check 的输出结果而不是输入参数，但因为这个方法是递归调用的，在这种情况下使用参数更为方便。调用方最初调用时需要提供一个空的集合。
Web 应用
这篇里已经有一个绘制函数 z=f(x,y) 的 SVG 图形的实现了：
https://blog.51cto.com/steed/2356431
不过当时的函数 f 是在编译的时候指定的。既然这里可以对字符串形式的表达式进行解析、检查和求值，那么就可以构建一个 Web 应用，在运行时从客户端接收一个表达式，并绘制函数的曲面图。可以使用 vars 集合来检查表达式是否是一个只有两个变量x、y的函数（为了简单起见，还提供了半径r，所以实际上是3个变量）。使用 Check 方法来拒绝掉不规范的表达式，这样就不会在下面函数的40000个计算过程中（100x100的格子，每一个有4个角）重复这些检查。
表达式求值器已经完成了，把它作为一个包引入。然后把绘制函数图形加上 Web 应用的代码重新实现一遍，完整的代码如下：
package main
import (
"fmt"
"io"
"log"
"math"
"net/http"
)
import "gopl/output/expression_evaluator/eval"
const (
width, height = 600, 320 // canvas size in pixels
cells = 100 // number of grid cells
xyrange = 30.0 // x, y axis range (-xyrange..+xyrange)
xyscale = width / 2 / xyrange // pixels per x or y unit
zscale = height * 0.4 // pixels per z unit
)
var sin30, cos30 = 0.5, math.Sqrt(3.0 / 4.0) // sin(30°), cos(30°)
func corner(f func(x, y float64) float64, i, j int) (float64, float64) {
// find point (x,y) at corner of cell (i,j)
x := xyrange * (float64(i)/cells - 0.5)
y := xyrange * (float64(j)/cells - 0.5)
z := f(x, y) // compute surface height z
// project (x,y,z) isometrically onto 2-D SVG canvas (sx,sy)
sx := width/2 + (x-y)*cos30*xyscale
sy := height/2 + (x+y)*sin30*xyscale - z*zscale
return sx, sy
}
func surface(w io.Writer, f func(x, y float64) float64) {
fmt.Fprintf(w, "", width, height)
for i := 0; i < cells; i++ {
for j := 0; j < cells; j++ {
ax, ay := corner(f, i+1, j)
bx, by := corner(f, i, j)
cx, cy := corner(f, i, j+1)
dx, dy := corner(f, i+1, j+1)
fmt.Fprintf(w, " 关于Go语言中怎么实现一个表达式求值器问题的解答就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，如果你还有很多疑惑没有解开，可以关注创新互联行业资讯频道了解更多相关知识。
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