[设计模式] 15 解释器模式 Interpreter

在GOF的《设计模式:可复用面向对象软件的基础》一书中对解释器模式是这样说的：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。如果一种特定类型的问题发生的频率足够高，那么可能就值得将该问题的各个实例表述为一个简单语言中的句子。这样就可以构建一个解释器，该解释器通过解释这些句子来解决该问题。

就如上面说的那个游戏，我输入up walk 5，我必须按照：移动方向+移动方式+移动距离这种格式输入我的指令，而这种格式的指令就是一种文法，只有按照了我定义的这种文法去输入，才能控制屏幕上的小狗去移动。当然了，我输入up walk 5，屏幕上的小狗肯定是听不懂的，它不知道我输入的是什么，这个时候需要怎么办？我需要一个工具去将我输入的内容翻译成小狗能听懂的东西，而这个工具就是定义中提到的解释器，解释器对我输入的指令进行解释，然后将解释得到的指令发送给屏幕上的小狗，小狗听懂了，就进行实际的移动。

我们在开发中经常用到的正则表达式也是这类问题的代表。我们有的时候需要去匹配电话号码、身份证号；我们不用为了每一种匹配都写一个特定的算法，我们可以为每一种匹配定义一种文法，然后去解释这种文法定义的句子就ok了。

抽象表达式角色(AbstractExpression)： 声明一个抽象的解释操作，这个接口为所有具体表达式角色都要实现的。
终结符表达式角色(TerminalExpression)： 实现与文法中的元素相关联的解释操作，通常一个解释器模式中只有一个终结符表达式，但有多个实例对应不同的终结符，
终结符就是语言中用到的基本元素，一般不能再被分解，如: x -> xa， 这里a是终结符，因为没有别的规则可以把a变成别的符号，不过x可以变成别的符号，所以x是非终结符。
非终结符表达式角色(NonterminalExpression)： 文法中的每条规则对应于一个非终结表达式， 非终结表达式根据逻辑的复杂程度而增加，原则上每个文法规则都对应一个非终结符表达式。
环境角色(Context)：包含解释器之外的一些全局信息。

AbstractExpression：声明一个抽象的解释操作，这个接口被抽象语法树中所有的节点所共享；
TernimalExpression：一个句子中的每个终结符需要该类的一个实例，它实现与文法中的终结符相关联的解释操作；
NonternimalExpression：

• 对于文法中的每一条规则都需要一个NonternimalExpression类；
• 为文法中的的每个符号都维护一个AbstractExpression类型的实例变量；
• 为文法中的非终结符实现解释操作，在实现时，一般要递归地调用表示文法符号的那些对象的解释操作；

Context：包含解释器之外的一些全局信息；
Client：构建一个需要进行解释操作的文法句子，然后调用解释操作进行解释。

实际进行解释时，按照以下时序进行的：

1. Client构建一个句子，它是NonterminalExpression和TerminalExpression的实例的一个抽象语法树，然后初始化上下文并调用解释操作；
2. 每一非终结符表达式节点定义相应子表达式的解释操作。而各终结符表达式的解释操作构成了递归的基础；
3. 每一节点的解释操作用作用上下文来存储和访问解释器的状态。

例子：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>  

using namespace std;  

class Context
{
private:
    map<string, int> valueMap;

public:
    void addValue(string key,int value)
    {
        valueMap.insert(std::pair<string,int>(key,value));
    }

    int getValue(string key)
    {
        return valueMap[key];
    }
};

class AbstractExpression
{
public :
     virtual int interpreter(Context context) = ;
};

class AddNonterminalExpression : public AbstractExpression
{
private :
    AbstractExpression *left;
    AbstractExpression *right;

public:
    AddNonterminalExpression(AbstractExpression *left, AbstractExpression *right)
    {
        this->left = left;
        this->right = right;
    }

    int interpreter(Context context)
    {
        return this->left->interpreter(context) + this->right->interpreter(context);
    }

};

class SubtractNonterminalExpression : public AbstractExpression
{
private :
    AbstractExpression *left;
    AbstractExpression *right;

public:
    SubtractNonterminalExpression(AbstractExpression *left, AbstractExpression *right)
    {
        this->left = left;
        this->right = right;
    }

    int interpreter(Context context)
    {
        return this->left->interpreter(context) - this->right->interpreter(context);
    }

};

class TerminalExpression : public AbstractExpression
{
private :
    int i;

public :
    TerminalExpression(int i)
    {
        this->i = i;
    }

    int interpreter(Context context)
    {
        return this->i;
    }
};

int main(){
    //a-b+c
    Context context;
    context.addValue("a", );
    context.addValue("b", );
    context.addValue("c", );

    SubtractNonterminalExpression *subtractValue = new SubtractNonterminalExpression(new TerminalExpression(
        context.getValue("a")), new TerminalExpression(context.getValue("b")));

    AddNonterminalExpression *addValue = new AddNonterminalExpression(subtractValue, new TerminalExpression(
        context.getValue("c")));

    cout<< addValue->interpreter(context);

    return ;
}  

适用性：

在以下情况下可以考虑使用解释器模式：

(1) 可以将一个需要解释执行的语言中的句子表示为一个抽象语法树。

(2)  一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来进行表达。

(3) 一个语言的文法较为简单。

(4) 执行效率不是关键问题。（注：高效的解释器通常不是通过直接解释抽象语法树来实现的，而是需要将它们转换成其他形式，使用解释器模式的执行效率并不高。）

优缺点：

优点：

(1) 易于改变和扩展文法。由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则，因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。

(2) 每一条文法规则都可以表示为一个类，因此可以方便地实现一个简单的语言。

(3) 实现文法较为容易。在抽象语法树中每一个表达式节点类的实现方式都是相似的，这些类的代码编写都不会特别复杂，还可以通过一些工具自动生成节点类代码。

(4) 增加新的解释表达式较为方便。如果用户需要增加新的解释表达式只需要对应增加一个新的终结符表达式或非终结符表达式类，原有表达式类代码无须修改，符合“开闭原则”。

缺点：

(1) 对于复杂文法难以维护。在解释器模式中，每一条规则至少需要定义一个类，因此如果一个语言包含太多文法规则，类的个数将会急剧增加，导致系统难以管理和维护，此时可以考虑使用语法分析程序等方式来取代解释器模式。

(2) 执行效率较低。由于在解释器模式中使用了大量的循环和递归调用，因此在解释较为复杂的句子时其速度很慢，而且代码的调试过程也比较麻烦。