什么是解释器模式？
解释器模式是一种行为型设计模式，用于为特定的语言定义一个解释器，解释并执行语言中的句子。它主要用于构建一个简单的语法解释器，将特定的业务逻辑转化为可理解的语言表达，并对这些表达式进行求值或解析。
通俗解释
想象一个简单的场景：
你想实现一个计算器，用来解析并计算数学表达式，例如：3 + 5 - 2。
- 表达式中的每个元素（如
3、5、+、-）是语言的基本符号。 - 解释器模式会为这些符号定义一个语法规则，然后按照规则逐步解析表达式，并计算结果。
解释器模式就是将这些规则封装到类中，让这些类像搭积木一样组成解析器，最终解释并执行语句。
解释器模式的特点
-
递归结构：
- 解释器模式通常以递归的方式解析复杂的表达式，将表达式分解为更小的子表达式。
-
语法树：
- 表达式通常可以通过抽象语法树表示，每个节点都是一个表达式或操作符。
-
适用领域：
- 适合为特定领域定义简单的语言或语法（如正则表达式、数学解析器等）。
解释器模式的结构
UML 类图
+------------------------+| AbstractExpression | // 抽象表达式+------------------------+| + interpret(context) |+------------------------+^ ^| |+----------------+ +------------------+| TerminalExpr | | NonTerminalExpr | // 终结符表达式和非终结符表达式+----------------+ +------------------+| + interpret() | | + interpret() |+----------------+ +------------------+
组成部分
-
AbstractExpression（抽象表达式）- 定义了解释器的通用接口，所有表达式都必须实现这个接口。
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TerminalExpression（终结符表达式）- 代表语法中的基本符号（如数字、变量）。
- 无需进一步解析。
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NonTerminalExpression（非终结符表达式）- 代表语法中的操作符（如加法、减法）。
- 由其他表达式组成，通常包含递归结构。
-
Context（上下文）- 提供解释器所需的全局信息，例如变量的值或其他共享数据。
解释器模式的优缺点
优点
-
扩展性强：
- 新的语法规则可以通过添加新的表达式类轻松扩展。
-
逻辑清晰：
- 语法规则以类的形式清晰表达，便于维护。
-
适合特定领域：
- 非常适合为某些特定领域的语言定义解释器。
缺点
-
性能问题：
- 复杂语法可能需要大量的类来表示，增加了系统的复杂性。
-
维护困难：
- 如果语法规则复杂，会导致类和对象关系过于繁琐，维护成本较高。
案例：简单的数学表达式解析器
需求描述
实现一个简单的数学解析器，用于计算由加法和减法组成的表达式，例如：
3 + 5 - 2。
解析器需要支持以下功能：
- 支持整数的加法和减法。
- 将表达式拆分为子表达式，并按照语法规则解析。
完整代码实现
以下是解释器模式在数学解析器中的实现，输出为中文，附详细注释。
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <sstream>
#include <vector>// 抽象表达式类
class Expression {
public:virtual int interpret() const = 0; // 解析并返回结果virtual ~Expression() = default;
};// 终结符表达式类：数字
class NumberExpression : public Expression {
private:int number; // 存储的数字public:explicit NumberExpression(int value) : number(value) {}int interpret() const override {return number; // 返回数字值}
};// 非终结符表达式类：加法
class AddExpression : public Expression {
private:std::shared_ptr<Expression> left; // 左操作数std::shared_ptr<Expression> right; // 右操作数public:AddExpression(std::shared_ptr<Expression> left, std::shared_ptr<Expression> right): left(left), right(right) {}int interpret() const override {return left->interpret() + right->interpret(); // 返回加法结果}
};// 非终结符表达式类：减法
class SubtractExpression : public Expression {
private:std::shared_ptr<Expression> left; // 左操作数std::shared_ptr<Expression> right; // 右操作数public:SubtractExpression(std::shared_ptr<Expression> left, std::shared_ptr<Expression> right): left(left), right(right) {}int interpret() const override {return left->interpret() - right->interpret(); // 返回减法结果}
};// 客户端代码：解析输入表达式
std::shared_ptr<Expression> parseExpression(const std::string& input) {std::istringstream iss(input);std::vector<std::shared_ptr<Expression>> expressions;char op;int value;// 读取第一个数字iss >> value;expressions.push_back(std::make_shared<NumberExpression>(value));// 解析后续操作符和数字while (iss >> op >> value) {std::shared_ptr<Expression> right = std::make_shared<NumberExpression>(value);if (op == '+') {expressions.push_back(std::make_shared<AddExpression>(expressions.back(), right));} else if (op == '-') {expressions.push_back(std::make_shared<SubtractExpression>(expressions.back(), right));}// 弹出旧的表达式，保留最新结果表达式expressions.erase(expressions.begin(), expressions.end() - 1);}// 返回最后一个表达式return expressions.back();
}// 主函数
int main() {std::string input;std::cout << "请输入数学表达式（例如：3 + 5 - 2）: ";std::getline(std::cin, input);// 解析表达式并计算结果auto expression = parseExpression(input);int result = expression->interpret();std::cout << "表达式的计算结果为: " << result << std::endl;return 0;
}
运行结果
假设输入以下内容：
3 + 5 - 2
输出结果为：
表达式的计算结果为: 6
代码解析
1. 抽象表达式类（Expression）
class Expression {
public:virtual int interpret() const = 0;virtual ~Expression() = default;
};
- 定义了解释器的通用接口。
interpret()方法返回当前表达式的值。
2. 终结符表达式类（NumberExpression）
class NumberExpression : public Expression {
private:int number;public:explicit NumberExpression(int value) : number(value) {}int interpret() const override {return number;}
};
- 表示数字。
interpret()方法直接返回数字值。
3. 非终结符表达式类（AddExpression 和 SubtractExpression）
- 加法表达式：
int interpret() const override {return left->interpret() + right->interpret();
}
- 减法表达式：
int interpret() const override {return left->interpret() - right->interpret();
}
- 这两类表达式将左右子表达式的值进行运算，并返回结果。
4. 解析器函数（parseExpression）
std::shared_ptr<Expression> parseExpression(const std::string& input) {// 解析表达式并构建语法树...
}
- 将输入的字符串解析为抽象语法树。
- 每次读取一个操作符和一个数字，根据操作符创建对应的表达式对象。
解释器模式的应用场景
- 数学表达式解析：
- 如计算器、公式解析器。
- 脚本语言解释器：
- 如自定义的配置文件解析。
- 正则表达式解析：
- 如正则表达式的引擎。
总结
解释器模式的核心优势
- 可扩展性强：添加新的语法规则只需新增类，无需修改现有代码。
- 逻辑清晰：将语法规则封装为类，便于维护和复用。
注意事项
- 性能开销
：对于复杂的语法规则，可能会导致大量的类和对象，增加系统复杂性。
2. 适用领域有限：适合简单的语法，复杂语言的解释器更适合通过生成器工具实现（如ANTLR）。
通过本案例，我们展示了如何使用解释器模式构建一个简单的数学解析器，轻松实现对表达式的解析和计算。解释器模式非常适合用在自定义语言、规则引擎和公式计算等场景中！
