【再谈设计模式】解释器模式~语法的解析执行者

【再谈设计模式】解释器模式~语法的解析执行者

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/wnm23/article/details/146055874

解释器模式是一种行为型设计模式，主要用于处理特定领域语言（DSL）或需要解析和执行特定语法规则的场景。通过理解解释器模式，我们可以更好地处理复杂的语法结构，将其转化为可执行的代码逻辑。本文将详细介绍解释器模式的定义、应用场景、实现方法以及优缺点。

一、引言

在软件工程，软件开发领域，设计模式是解决常见问题的可复用方案。解释器模式是一种行为型设计模式，它为语言创建解释器，就像编译器或解释器处理高级编程语言一样。这种模式在处理特定领域语言（DSL）或者需要解析和执行特定语法规则的场景下非常有用。通过理解解释器模式，我们可以更好地处理复杂的语法结构，将其转化为可执行的代码逻辑。

二、定义与描述

解释器模式定义了一种语言的语法表示，并定义一个解释器来解释该语言中的句子。它使用类来表示每个语法规则，并且通过递归调用这些类的方法来解释表达式。本质上，它将一个复杂的表达式分解为一系列简单的部分，然后按照特定的语法规则进行解析和执行。

三、抽象背景

在许多应用场景中，我们需要处理一些自定义的、具有特定语法规则的语言。例如，在数据库查询语言中，有特定的语法来表示查询条件（如SQL语句）；在数学表达式求值中，有运算符号和数字组成的表达式（如3 + 4 * 2）。解释器模式提供了一种方式，将这些表达式转化为可执行的操作。

四、适用场景与现实问题解决

特定领域语言（DSL）处理

现实问题：在配置文件中，可能存在一种自定义的配置语言，用于描述系统的某些行为。例如，在游戏开发中，可能有自定义的脚本语言来控制游戏角色的行为。

解决方案：使用解释器模式可以编写解释器来解析这些自定义的脚本语言，从而实现游戏角色按照脚本中的指令进行行动。

数学表达式求值

现实问题：在科学计算或者金融计算中，需要对包含变量和运算符的数学表达式进行求值。

解决方案：解释器模式可以将数学表达式分解为数字、变量和运算符等元素，然后按照数学运算规则进行求值。

五、解释器模式的现实生活的例子

音乐乐谱解释

初衷：音乐乐谱是一种特定的“语言”，它由音符、节拍、休止符等元素按照一定的规则组成。音乐家需要将乐谱上的符号转化为实际的音乐演奏。

问题解决：可以将乐谱看作是一种待解释的表达式，使用解释器模式创建一个解释器，将乐谱中的每个元素（音符等）解释为对应的音乐演奏指令，如音高、持续时间等，从而实现音乐的演奏。

六、代码示例

Java代码示例

// 抽象表达式
interface Expression {
    int interpret();
}
// 终结符表达式 - 数字
class NumberExpression implements Expression {
    private int number;
    public NumberExpression(int number) {
        this.number = number;
    }
    @Override
    public int interpret() {
        return number;
    }
}
// 非终结符表达式 - 加法
class AddExpression implements Expression {
    private Expression left;
    private Expression right;
    public AddExpression(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
    @Override
    public int interpret() {
        return left.interpret() + right.interpret();
    }
}
public class InterpreterPatternJava {
    public static void main(String[] args) {
        Expression num1 = new NumberExpression(3);
        Expression num2 = new NumberExpression(4);
        Expression add = new AddExpression(num1, num2);
        System.out.println("结果: " + add.interpret());
    }
}  

C++代码示例

#include <iostream>
// 抽象表达式类
![](https://wy-static.wenxiaobai.com/chat-rag-image/7380940916372435737)
class Expression {
public:
![](https://wy-static.wenxiaobai.com/chat-rag-image/7685383761402671327)
    virtual int interpret() = 0;
};
// 数字表达式类（终结符表达式）
class NumberExpression : public Expression {
private:
    int number;
public:
    NumberExpression(int num) : number(num) {}
    int interpret() override {
        return number;
    }
};
// 加法表达式类（非终结符表达式）
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();
    }
};
int main() {
    Expression* num1 = new NumberExpression(3);
    Expression* num2 = new NumberExpression(4);
    Expression* add = new AddExpression(num1, num2);
    std::cout << "结果: " << add->interpret() << std::endl;
    return 0;
}  

Python代码示例

# 抽象表达式
class Expression:
    def interpret(self):
        pass
# 终结符表达式 - 数字
class NumberExpression(Expression):
    def __init__(self, number):
        self.number = number
    def interpret(self):
        return self.number
# 非终结符表达式 - 加法
class AddExpression(Expression):
    def __init__(self, left, right):
        self.left = left
        self.right = right
    def interpret(self):
        return self.left.interpret() + self.right.interpret()
num1 = NumberExpression(3)
num2 = NumberExpression(4)
add = AddExpression(num1, num2)
print("结果:", add.interpret())  

Go代码示例

// 抽象表达式接口
type Expression interface {
    interpret() int
}
// 数字表达式结构体（终结符表达式）
type NumberExpression struct {
    number int
}
func (n *NumberExpression) interpret() int {
    return n.number
}
// 加法表达式结构体（非终结符表达式）
type AddExpression struct {
    left  Expression
    right Expression
}
func (a *AddExpression) interpret() int {
    return a.left.interpret() + a.right.interpret()
}
func main() {
    num1 := &NumberExpression{3}
    num2 := &NumberExpression{4}
    add := &AddExpression{num1, num2}
    println("结果:", add.interpret())
}  

七、解释器模式的优缺点

优点

• 灵活性：可以很容易地改变和扩展语法规则，只要修改相应的表达式类即可。
• 可维护性：每个语法规则都由一个单独的类表示，使得代码结构清晰，易于理解和维护。
• 易于实现简单的语法：对于简单的语法规则，解释器模式可以快速实现解析和执行功能。

缺点

• 复杂性：对于复杂的语法，可能需要创建大量的表达式类，导致类的数量过多，增加系统的复杂性。
• 性能问题：解释器模式通常是通过递归调用方法来解释表达式，对于复杂的表达式可能会导致性能下降。

八、解释器模式的升级版

语法分析器生成器（Parser Generator）

一些工具如ANTLR（Another Tool for Language Recognition）可以根据语法定义自动生成语法分析器。这种方式比手动编写解释器模式更加高效和准确，尤其适用于复杂的语法结构。它将语法定义与代码实现分离，使得语法的修改更加方便，同时可以生成更加优化的解析代码，提高性能。