【地铁上的设计模式】--行为型模式：解释器模式

2023-05-09 17:52:30 浏览数 (2)
什么是解释器

解释器（Interpreter）是一种行为型设计模式，它用于解释一种特定的编程语言或表达式。它提供了一种解释一组语言语法的方法，使得用户可以按照特定的规则定义自己的语言，并通过解释器将其转化成可执行代码。 在解释器模式中，包含两个角色：终结符和非终结符。终结符表示语法规则中的基本单元，而非终结符表示由终结符组成的语法规则。解释器模式通常使用抽象语法树（Abstract Syntax Tree, AST）来实现对语法规则的解释。 解释器模式的优点在于它可以轻松地添加新的语法规则，同时保持代码的灵活性和可扩展性。它也能够在运行时动态生成代码，从而更好地支持动态编程。 然而，解释器模式的缺点在于它可能会导致性能问题，因为它需要在解释器中进行大量的运算和计算。此外，解释器模式的设计较为复杂，需要开发者具备较强的编程能力和领域知识。 在软件开发中，解释器模式通常应用于解析和执行脚本、编译器、数据库查询语言等场景。例如，JavaScript的解释器就是一种常见的解释器实现。

如何实现解释器

下面是实现解释器的一般步骤：

  1. 定义抽象表达式类（Abstract Expression），定义了公共的接口和属性，通常包含解释操作（interpret）方法；
  2. 定义终结符表达式类（Terminal Expression），实现抽象表达式中的解释方法，用来解释语言中的终结符，通常是语言中的最小单位；
  3. 定义非终结符表达式类（Non-terminal Expression），也实现了抽象表达式的解释方法，用来解释由多个终结符组成的复杂语言结构，它通常是由多个子表达式组成的；
  4. 定义环境类（Context），用来存储解释器解释时的状态，通常包含解释器解释时需要的数据；
  5. 客户端创建抽象语法树（Abstract Syntax Tree），通过实例化终结符和非终结符表达式类，组合成一颗抽象语法树；
  6. 客户端使用环境类和抽象语法树调用解释器的解释方法（interpret），实现语言的解释。

实现解释器模式的关键在于定义好抽象表达式类和具体表达式类，以及使用抽象语法树来组合表达式，形成复杂的语言结构。在实现过程中需要考虑到语法的复杂性，把复杂语法拆解成简单的终结符和非终结符，然后根据语言结构的不同，实现不同的表达式类。同时，在使用解释器时需要构建好环境类，把需要解释的数据存储起来，提供给解释器使用。

Java实现 由于解释器模式相对比较复杂，需要先设计文法和规则，因此这里只提供一个示例代码，供参考。

代码语言：javascript复制
//抽象表达式类
interface Expression {
    int interpret();
}

//数字表达式类
class NumberExpression implements Expression {
    private int number;

    public NumberExpression(int number) {
        this.number = number;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return number;
    }
}

//加法表达式类
class AddExpression implements Expression {
    private Expression left;
    private Expression right;

    public AddExpression(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return left.interpret()   right.interpret();
    }
}

//减法表达式类
class SubtractExpression implements Expression {
    private Expression left;
    private Expression right;

    public SubtractExpression(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return left.interpret() - right.interpret();
    }
}

//乘法表达式类
class MultiplyExpression implements Expression {
    private Expression left;
    private Expression right;

    public MultiplyExpression(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return left.interpret() * right.interpret();
    }
}

//除法表达式类
class DivideExpression implements Expression {
    private Expression left;
    private Expression right;

    public DivideExpression(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return left.interpret() / right.interpret();
    }
}

//客户端调用
public class InterpreterPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //构造一个表达式：1   2 * 3 - 4 / 2
        Expression expression = new SubtractExpression(
                new AddExpression(
                        new NumberExpression(1),
                        new MultiplyExpression(
                                new NumberExpression(2),
                                new NumberExpression(3)
                        )
                ),
                new DivideExpression(
                        new NumberExpression(4),
                        new NumberExpression(2)
                )
        );

        //计算表达式的值
        int result = expression.interpret();

        //输出结果
        System.out.println("1   2 * 3 - 4 / 2 = "   result);
    }
}

以上代码实现了一个简单的四则运算表达式解释器，其中每个具体的表达式类都实现了 Expression 接口，并重写了 interpret() 方法来进行表达式的解释和计算。在客户端调用中，通过构造各种不同的表达式来表示不同的复杂表达式，并最终调用 interpret() 方法计算出结果。

C#实现 以下是C#实现解释器模式的示例代码：

代码语言：javascript复制
using System;
using System.Collections.Generic;

// 抽象表达式类
public abstract class AbstractExpression
{
    public abstract void Interpret(Context context);
}

// 终结符表达式类
public class TerminalExpression : AbstractExpression
{
    public override void Interpret(Context context)
    {
        Console.WriteLine("终端解释器");
    }
}

// 非终结符表达式类
public class NonterminalExpression : AbstractExpression
{
    private AbstractExpression expression1;
    private AbstractExpression expression2;

    public NonterminalExpression(AbstractExpression expression1, AbstractExpression expression2)
    {
        this.expression1 = expression1;
        this.expression2 = expression2;
    }

    public override void Interpret(Context context)
    {
        Console.WriteLine("非终端解释器");
        expression1.Interpret(context);
        expression2.Interpret(context);
    }
}

// 上下文类
public class Context
{
    private string input;
    private string output;

    public string Input
    {
        get { return input; }
        set { input = value; }
    }

    public string Output
    {
        get { return output; }
        set { output = value; }
    }
}

// 客户端代码
class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Context context = new Context();

        List<AbstractExpression> list = new List<AbstractExpression>();
        list.Add(new TerminalExpression());
        list.Add(new NonterminalExpression(new TerminalExpression(), new TerminalExpression()));
        list.Add(new TerminalExpression());
        list.Add(new TerminalExpression());

        foreach (AbstractExpression exp in list)
        {
            exp.Interpret(context);
        }

        Console.ReadLine();
    }
}

该示例实现了解释器模式的基本结构，其中抽象表达式类 AbstractExpression 定义了解释器的基本方法 Interpret，终结符表达式类 TerminalExpression 实现了终端解释器，非终结符表达式类 NonterminalExpression 实现了非终端解释器，上下文类 Context 存储了解释器的上下文信息。 在客户端代码中，创建了一个 Context 对象，并创建了多个终结符和非终结符表达式对象，最后通过 Interpret 方法对这些表达式进行解释。

总结

由于解释器模式使用较为特殊，而且适用范围也相对较窄，因此在实际开发中使用的较少。解释器模式通过定义一组语法规则来解释并执行特定的语言，它包含终结符和非终结符两种类型的节点。虽然解释器模式实现较为复杂，但是它可以非常方便地扩展新的语法规则，并且可以非常方便地实现对这些规则的解释和执行。

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