Oop Recursion Polymorphism Binary Tree

多態性を用いた`式評価`と`木の探索`の習得

プログラミングの領域において、式評価と二分木を操作する能力を理解することは、開発能力を向上させるための重要なスキルです。これらの概念を実装するための一つの魅力的な方法は、多態性を使用することです。特にオブジェクト指向プログラミング（OOP）内での利用が効果的です。

このブログ投稿では、Steve Yeggeの観察に触発された古典的な面接質問を探ります。候補者は算術式（例：「2 + (2)」という文字列）を式木に変換することを求められます。問題をステップバイステップで解決し、多態性を用いてこれらの木を処理する方法を説明し、コードに関する洞察を提供します。

問題: 式から木へ

基本を理解する

この課題の核心は、算術式を二分木として表現し評価することです：

葉ノード: これらは数字です。
内部ノード: これらは演算子（例：+, -, *, /）です。

このような式を評価するためには、木構造を「歩く」ことが必要です。この問題に直面した場合、次のように始めることができます：

式の変換: 文字列の式を木構造に変換する方法を決定します。
式の評価: 木を巡回して最終的な値を計算します。

なぜ多態性を使うのか？

多くのプログラミング志望者は、これらのタスクを実行する最適な方法に苦労することがあります。switch文やカスケードif-else構造などの最も簡単な方法は、扱いにくくなり、管理が困難になる可能性があります。

多態性は、関連するクラスのグループに共通のインターフェースを定義できるようにし、より柔軟で管理しやすいデザインを実現します。異なる操作に直面した時、多態性により、操作の実装の詳細を知らなくても正しいメソッドを呼び出すことができます。

解決策: Pythonでの多態的な木の実装

コードに深く掘り下げて、多態性がこの文脈でどのように機能するかを理解しましょう。

コード説明

#!/usr/bin/python

class Node:
    """基本クラス、これを処理してはいけません。"""
    def process(self):
        raise('ノードを処理してはいけません')  # 抽象

class BinaryNode(Node):
    """二分ノードのための基本クラス。"""
    def __init__(self, _left, _right):
        self.left = _left
        self.right = _right
    def process(self):
        raise('バイナリノードを処理してはいけません')  # 抽象

class Plus(BinaryNode):
    def process(self):
        return self.left.process() + self.right.process()

class Minus(BinaryNode):
    def process(self):
        return self.left.process() - self.right.process()

class Mul(BinaryNode):
    def process(self):
        return self.left.process() * self.right.process()

class Div(BinaryNode):
    def process(self):
        return self.left.process() / self.right.process()

class Num(Node):
    def __init__(self, _value):
        self.value = _value
    def process(self):
        return self.value

# デモ用のテストケース
def demo(n):
    print(n.process())

demo(Num(2))                                    # 出力: 2
demo(Plus(Num(2), Num(5)))                      # 出力: 7 (2 + 5)
demo(Plus(Mul(Num(2), Num(3)), Div(Num(10), Num(5))))  # 出力: 8 ((2 * 3) + (10 / 5))

コードの内訳

抽象基本クラス: Node
- すべてのノードの基底クラスです。
- process()メソッドはオーバーライドされることを意図していますが、Nodeで直接実行されるべきではありません。
抽象基本クラス: BinaryNode
- Nodeから継承し、二項演算子を表します。
- 左と右のサブ式の子ノードを含みます。
演算の具体的なクラス
- Plus、Minus、Mul、DivクラスはBinaryNodeから継承し、式を評価するためにprocess()メソッドを実装します。
葉ノードクラス: Num
- 数値を表し、process()が呼び出されると保管された値を返します。

最後の考え

多態性は、プログラミングにおける式評価を実装する強力な方法を提供します。この構造に従うことにより、開発者は明確で整理された柔軟なコードを作成し、追加や変更が容易になります。

結論として、算術式の文字列から式木に変換することを多態性を用いてマスターすることは、多くの可能性を開くものです。このデザインパターンはコーディングプロセスを簡素化するだけでなく、コードの保守性を高める役割も果たします。

この概念を理解したので、自分自身でバリエーションの実装に挑戦し、プログラミングの広大な世界を探求してみてください！

多態性を用いた式評価と木の探索の習得