设计模式——解释器模式

定义

解释器模式是一种行为设计模式，它给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。在这种模式中，通常会将一个复杂的表达式（如数学表达式、规则表达式等）分解为一个个简单的部分，然后通过解释器来对这些部分进行解析和计算。

适用场景：

当有一个简单的语言需要解释执行，并且语言的文法较为简单且稳定时。例如，简单的配置文件解析、简单的数学表达式求值等场景。
可以将抽象语法树（AST）中的每个节点的操作封装在解释器类中，方便对语法树进行遍历和求值。

UML 结构：

抽象表达式（Abstract Expression）：
声明一个抽象的解释操作，这个接口为抽象语法树中所有的节点所共享。在 C++ 中，它通常是一个抽象类或者是包含纯虚函数的接口类。
终结符表达式（Terminal Expression）：
实现与文法中的终结符相关联的解释操作。在语法树中，终结符是不能再分解的基本元素。例如，在一个简单的数学表达式求值的解释器中，数字就是终结符，对应的终结符表达式类用于处理数字的解析和求值。
非终结符表达式（Non - terminal Expression）：
为文法中的非终结符实现解释操作。非终结符表达式通常包含对其他表达式（终结符表达式或非终结符表达式）的引用，它代表了可以分解为更小子表达式的语法结构。比如在数学表达式中，加法和乘法运算符就是非终结符，对应的非终结符表达式类用于处理运算符两侧表达式的求值和组合。
上下文（Context）：
包含解释器之外的一些全局信息，它在解释器进行解释操作时提供必要的信息支持。例如，在表达式求值中，上下文可能包含变量的值等信息。

优点

易于实现简单的语言：对于特定领域的简单语言，解释器模式可以很方便地实现语法解析和求值。
灵活性和扩展性：可以很容易地添加新的表达式类型（终结符或非终结符）来扩展语言的功能。例如，在上述数学表达式求值的例子中，可以很容易地添加减法、乘法等运算的表达式类。

缺点

对于复杂语言效率较低：当语言的语法规则比较复杂或者语法树比较庞大时，解释器模式的执行效率可能会比较低。因为解释过程可能涉及到大量的递归调用和对象创建。
维护成本高：随着语言语法的扩展和变化，解释器的代码可能会变得越来越复杂，维护起来比较困难。尤其是当需要修改语法规则或者表达式的求值逻辑时，可能需要对多个类进行修改。

简单数学表达式求值的例子

定义抽象表达式类

class Expression {
public:virtual int interpret() = 0;
};

定义终结符表达式类（数字）

class NumberExpression : public Expression {
private:int number;
public:NumberExpression(int num) : number(num) {}int interpret() override {return number;}
};

定义非终结符表达式类（加法）

class AddExpression : public Expression {
private:Expression* left;Expression* right;
public:AddExpression(Expression* l, Expression* r) : left(l), right(r) {}int interpret() override {return left->interpret() + right->interpret();}
};

使用示例

int main() {// 构建表达式3 + 5Expression* three = new NumberExpression(3);Expression* five = new NumberExpression(5);Expression* add = new AddExpression(three, five);// 解释并求值int result = add->interpret();std::cout << "3 + 5 = " << result << std::endl;delete three;delete five;delete add;return 0;
}

在这个例子中，Expression是抽象表达式类。NumberExpression是终结符表达式类，用于表示数字。AddExpression是非终结符表达式类，用于表示加法运算。在main函数中，构建了一个简单的数学表达式3 + 5的抽象语法树，然后通过调用interpret方法来计算表达式的值。

简单规则表达式匹配的例子（简化版）

定义抽象表达式类（用于规则匹配）

class RuleExpression {
public:virtual bool interpret(const std::string& input) = 0;
};

定义终结符表达式类（字符匹配）

class CharacterExpression : public RuleExpression {
private:char character;
public:CharacterExpression(char c) : character(c) {}bool interpret(const std::string& input) override {if (input.length() > 0) {return input[0] == character;}return false;}
};

定义非终结符表达式类（连接操作）

class AndExpression : public RuleExpression {
private:RuleExpression* left;RuleExpression* right;
public:AndExpression(RuleExpression* l, RuleExpression* r) : left(l), right(r) {}bool interpret(const std::string& input) override {return left->interpret(input) && right->interpret(input.substr(left->interpret(input)? 1 : 0));}
};

使用示例

int main() {// 构建规则表达式，匹配字符 'a' 后面跟着字符 'b'RuleExpression* a = new CharacterExpression('a');RuleExpression* b = new CharacterExpression('b');RuleExpression* ab = new AndExpression(a, b);std::string input = "ab";bool result = ab->interpret(input);std::cout << "Does '" << input << "' match the rule? " << (result? "Yes" : "No") << std::endl;delete a;delete b;delete ab;return 0;
}

在这个规则表达式匹配的例子中，RuleExpression是抽象表达式类。CharacterExpression用于匹配单个字符，是终结符表达式类。AndExpression用于连接两个规则表达式，表示两个条件都要满足，是非终结符表达式类。在main函数中，构建了一个简单的规则表达式来匹配字符串中是否是ab这样的序列，然后通过调用interpret方法来进行规则匹配。