设计模式 15 解释器模式

设计模式 15

• 创建型模式（5）：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式
• 结构型模式（7）：适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰者模式、外观模式、享元模式、代理模式
• 行为型模式（11）：责任链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板方法模式、访问者模式

解释器模式（Interpreter Pattern）

1 定义

解释器模式通过定义一种语言的语法规则，使用这些规则解析和执行语言中的语句。这种模式通常用于那些具有简单语法和小型命令集的领域特定语言（DSL）中。

2 结构

解释器模式包含以下角色：

• 抽象表达式（AbstractExpression）: 声明解释操作，接口或抽象类。
• 终结符表达式（TerminalExpression）: 实现与语法规则相关的操作，处理语法中的终结符。
• 非终结符表达式（NonTerminalExpression）: 表示语法规则中的非终结符，通常包含一个或多个表达式。
• 上下文（Context）: 包含解释器需要的全局信息。
• 客户端（Client）: 构建或解释语法规则，并使用解释器来解释语句。

UML 类图

+---------------------------------------+
|  AbstractExpression                   |  <----- 抽象表达式
+---------------------------------------+
| + Interpret(context: Context): void   |
+---------------------------------------+
        ^
        |
+---------------------------------------+    +---------------------------------------+
| TerminalExpression                    |    | NonTerminalExpression                 |
+---------------------------------------+    +---------------------------------------+
| + Interpret(context: Context): void   |    | + Interpret(context: Context): void   |
+---------------------------------------+    +---------------------------------------+

+-------------------+
|     Context       |  <----- 上下文
+-------------------+
| + GetInfo(): ...  |
+-------------------+

3 示例代码

假设我们要实现一个简单的数学表达式解释器，可以解析和计算简单的加法和减法运算表达式。

抽象表达式

// 抽象表达式
public interface IExpression
{
    int Interpret();
}

终结符表达式

// 终结符表达式：数字
public class NumberExpression : IExpression
{
    private readonly int _number;

    public NumberExpression(int number)
    {
        _number = number;
    }

    public int Interpret()
    {
        return _number;
    }
}

非终结符表达式

// 非终结符表达式：加法
public class AddExpression : IExpression
{
    private readonly IExpression _leftExpression;
    private readonly IExpression _rightExpression;

    public AddExpression(IExpression leftExpression, IExpression rightExpression)
    {
        _leftExpression = leftExpression;
        _rightExpression = rightExpression;
    }

    public int Interpret()
    {
        return _leftExpression.Interpret() + _rightExpression.Interpret();
    }
}

// 非终结符表达式：减法
public class SubtractExpression : IExpression
{
    private readonly IExpression _leftExpression;
    private readonly IExpression _rightExpression;

    public SubtractExpression(IExpression leftExpression, IExpression rightExpression)
    {
        _leftExpression = leftExpression;
        _rightExpression = rightExpression;
    }

    public int Interpret()
    {
        return _leftExpression.Interpret() - _rightExpression.Interpret();
    }
}

客户端代码

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 构造表达式：10 + 5 - 2
        IExpression expression = new SubtractExpression(
            new AddExpression(new NumberExpression(10), new NumberExpression(5)),
            new NumberExpression(2)
        );

        // 解释并计算结果
        int result = expression.Interpret();
        Console.WriteLine($"Result: {result}");
    }
}

运行结果

Result: 13

在这个例子中，表达式 10 + 5 - 2 被构造为一个解释器树，并通过调用 Interpret 方法递归地计算出结果。NumberExpression 是终结符表达式，用于表示具体的数字值，AddExpression 和 SubtractExpression 是非终结符表达式，用于表示加法和减法操作。

5 特点

• 优点:

  • 灵活性高: 解释器模式使得设计自定义语言变得更加容易，通过组合不同的表达式类可以实现复杂的语法解析。

  • 可扩展性好: 新的语法规则可以通过添加新的表达式类来实现，而不需要修改现有的系统。

• 缺点:

  • 性能问题: 解释器模式适用于语法规则相对简单的场景。对于复杂的语法解析，由于要递归解析表达式树，可能会导致性能问题。

  • 类的数量增加: 每个语法规则都需要一个类来实现，可能导致类的数量急剧增加，增加了系统的复杂性。

6 适用场景

• 简单的语言解释器: 如脚本语言解释器、配置文件解析器、规则引擎等。
• 编译器设计: 在编译器中使用解释器模式来解析和解释源代码。
• 复杂的数据解析: 需要解释和执行复杂的命令或数据时，使用解释器模式来解析并执行。

7 总结

解释器模式通过定义语言的语法规则，并使用这些规则解析和执行语句。它适用于简单的语法规则和小型语言解析任务，但不适用于复杂的语法解析和大规模系统。解释器模式的灵活性和扩展性使其在某些领域特定语言的实现中非常有用。