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
cpp 复制代码
class Expression {
public:
    virtual int interpret() = 0;
};
  • 定义终结符表达式类(数字)
cpp 复制代码
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)

cpp 复制代码
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
cpp 复制代码
int main() {
    // 构建表达式3 + 5
    Expression* 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)

cpp 复制代码
class RuleExpression {
public:
    virtual bool interpret(const std::string& input) = 0;
};
  • 定义终结符表达式类(字符匹配)
cpp 复制代码
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)

cpp 复制代码
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

cpp 复制代码
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。

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