calculator/nodes.py

"""AST-представление выражений и рекурсивный оценщик.

Замена «вычисления за время парсинга» на отдельный этап:
токенизатор -> AST (Nodes) -> eval(ast, env).

Это даёт: повторный вывод выражений (pprint), перебор/переменные в env,
отделение парсера от вычисления и чистые точки ошибок.

Иерарфия приоритета (старшие узлы ниже по дереву, но выше в вычислении):
    expr    := term (('+' | '-') term)*
    term    := factor (('*' | '/' | '//' | '%') factor)*
    factor  := ('+' | '-') factor | power
    power   := postfix ('**') factor      # правосторонний
    postfix := atom ('%')*                # постфиксные проценты
    atom    := NUMBER | ID | ID '(' args ')' | '(' expr ')'
"""
from __future__ import annotations

import math
from dataclasses import dataclass
from typing import Callable


class Node:
    """Базовый узел AST (repr = человекочитаемый текст выражения)."""


@dataclass
class NumNode(Node):
    value: float

    def __repr__(self) -> str:
        if math.isfinite(self.value) and self.value == int(self.value):
            return f"{self.value:g}"
        return f"{self.value!r}"


@dataclass
class UnaryNode(Node):
    operand: Node
    negate: bool

    def __repr__(self) -> str:
        sign = "-" if self.negate else "+"
        return f"{sign}{self.operand!r}"


@dataclass
class BinaryNode(Node):
    op: str
    left: Node
    right: Node

    def __repr__(self) -> str:
        return f"({self.left!r} {self.op} {self.right!r})"


@dataclass
class PowNode(Node):
    base: Node
    exponent: Node

    def __repr__(self) -> str:
        return f"{self.base!r} ** {self.exponent!r}"


@dataclass
class PostfixPercentNode(Node):
    operand: Node

    def __repr__(self) -> str:
        return f"{self.operand!r}%"


@dataclass
class CallNode(Node):
    name: str
    args: list[Node]

    def __repr__(self) -> str:
        return f"{self.name}({', '.join(map(repr, self.args))})"


@dataclass
class IdNode(Node):
    name: str

    def __repr__(self) -> str:
        return self.name


@dataclass
class ConstNode(Node):
    name: str

    def __repr__(self) -> str:
        return f"({self.name})"


def round2(x: float, ndigits: float | None = None) -> float:
    # наш калькулятор всё считает во float; Python round() хочет int для ndigits
    return float(round(x, int(ndigits)) if ndigits is not None else round(x))


_CONSTANTS: dict[str, float] = {
    "pi": math.pi,
    "e": math.e,
    "tau": math.tau,
    "inf": math.inf,
}

_FUNCTIONS: dict[str, tuple[Callable[..., float], tuple[int, ...]]] = {
    "sqrt": (math.sqrt, (1,)),
    "abs": (abs, (1,)),
    "exp": (math.exp, (1,)),
    "ln": (math.log, (1,)),
    "log": (math.log, (1, 2)),
    "log2": (math.log2, (1,)),
    "log10": (math.log10, (1,)),
    "round": (round2, (1, 2)),
    "floor": (math.floor, (1,)),
    "ceil": (math.ceil, (1,)),
    "sin": (math.sin, (1,)),
    "cos": (math.cos, (1,)),
    "tan": (math.tan, (1,)),
    "asin": (math.asin, (1,)),
    "acos": (math.acos, (1,)),
    "atan": (math.atan, (1,)),
}


def format_result(result: float) -> str:
    """Представить результат с 12 значащими цифрами (убирает артефакты float).

    inf/nan отдаются без округления.
    """
    if math.isnan(result) or math.isinf(result):
        return f"{result:g}"
    return f"{result:.12g}"


class ASTError(Exception):
    """Базовое исключение AST-оценщика."""


class SyntaxError_(ASTError):
    """Невозможно распарсить выражение."""


class DivisionByZeroError(ASTError):
    """Деление на ноль."""


class Evaluator:
    """Вычисляет узел AST при заданном env (переменные + ans)."""

    def eval(self, node: Node, env: dict[str, float]) -> float:
        node_type = node.__class__.__name__

        if isinstance(node, NumNode):
            return node.value
        if isinstance(node, UnaryNode):
            value = self.eval(node.operand, env)
            return -value if node.negate else value
        if isinstance(node, BinaryNode):
            left = self.eval(node.left, env)
            right = self.eval(node.right, env)
            return self._binary(node.op, left, right)
        if isinstance(node, PowNode):
            base = self.eval(node.base, env)
            exponent = self.eval(node.exponent, env)
            return self._pow(base, exponent)
        if isinstance(node, PostfixPercentNode):
            return self.eval(node.operand, env) / 100.0
        if isinstance(node, CallNode):
            return self._call(node, env)
        if isinstance(node, IdNode):
            if node.name in env:
                return env[node.name]
            # не задана переменной — резолвим как константу, если знаем её
            if node.name in _CONSTANTS:
                return _CONSTANTS[node.name]
            raise SyntaxError_(f"Неизвестный идентификатор: {node.name!r}")
        if isinstance(node, ConstNode):
            return _CONSTANTS[node.name]
        raise ASTError(f"Неизвестный узел: {node_type}")

    def _binary(self, op: str, left: float, right: float) -> float:
        if op == "+":
            return left + right
        if op == "-":
            return left - right
        if op == "*":
            return left * right
        if op == "/":
            if right == 0:
                raise DivisionByZeroError("Деление на ноль")
            return left / right
        if op == "//":
            if right == 0:
                raise DivisionByZeroError("Целочисленное деление на ноль")
            return left // right
        if op == "%":
            if right == 0:
                raise DivisionByZeroError("Остаток от деления на ноль")
            return left % right
        raise ASTError(f"Неизвестный оператор: {op}")

    @staticmethod
    def _pow(base: float, exponent: float) -> float:
        try:
            value = base ** exponent
        except (OverflowError, ValueError) as exc:
            raise ASTError(f"Ошибка возведения в степень: {exc}") from exc
        if isinstance(value, complex):
            raise ASTError("Комплексный результат не поддерживается")
        return value

    def _call(self, node: CallNode, env: dict[str, float]) -> float:
        if node.name not in _FUNCTIONS:
            raise SyntaxError_(f"Неизвестная функция: {node.name!r}")
        func, arities = _FUNCTIONS[node.name]
        if len(node.args) not in arities:
            expected = "/".join(str(a) for a in arities)
            raise SyntaxError_(
                f"'{node.name}': ожидалось аргументов {expected},"
                f" получено {len(node.args)}"
            )
        args = [self.eval(a, env) for a in node.args]
        try:
            return float(func(*args))
        except (ValueError, OverflowError) as exc:
            raise ASTError(f"Ошибка в '{node.name}': {exc}") from exc