16 解释器模式

原文转载：https://blog.csdn.net/sinat_21107433/article/details/102864850

看过《大明王朝1566》吗？这是Jungle所看过的历史剧当中最最喜欢和推崇的一部剧。看过这部剧的小伙伴们都知道，嘉靖皇帝说话从来不会明明白白说出来，而是喜欢绕着说，或者说暗语，若不细细揣测，根本不知道嘉靖说的真实含义是什么。比如他跟陈洪说“行到水穷处，坐看云起时”，陈洪就意会到皇上是让他除草；太子喜获儿子，嘉靖给了枣和栗……要是Jungle生活在那时候，脑壳真得变大啊，整天揣测皇帝的意图都够了。要是有个解释器就好了，能够把皇帝的话解释为明明白白的语言！

1.解释器模式概述

解释器模式用于描述一个简单的语言解释器，主要应用于使用面向对象语言开发的解释器的设计。当需要开发一个新的语言是，可以使用解释器模式。

解释器模式：

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。

解释器模式需要解决的是，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。这样就可以构件一个解释器，该解释器通过解释这些句子，来解决该问题。解释器模式描述了如何为简单的语言定义一个文法，如何在该语言中表示一个句子，以及如何解释这些句子。

2.解释器模式结构

解释器模式的结构由抽象表达式、终结符表达式、非终结符表达式和环境类组成：

• AbstractExpression（抽象表达式）：声明了抽象的解释操作interpret()，是所有终结符表达式和非终结符表达式的基类；
• TerminalExpression（终结符表达式）：终结符是文法规则的组成元素中最基本的语言单位，不能再分解。终结符表达式实现了与文法规则中终结符相关的解释操作，句子中的每一个终结符都是该类的一个实例。
• NonterminalExpression（非终结符表达式）：实现了文法规则中非终结符的解释操作，因为非终结符表达式同样可以包含终结符表达式，所以终结符表达式可以是非终结符表达式的成员。
• Context（环境类）：即上下文类，用于存储解释器之外的一些全局信息，通常临时存储需要解释的语句。

解释器模式的UML图如上所示。抽象表达式声明了抽象接口interpret()，终结符表达式和非终结符表达式式具体实现了该接口。其中，终结符表达式的interpret()接口实现了具体的解释操作，而非终结符表达式中可能包含终结符表达式或者非终结符表达式，所以非终结符表达式的interpret()接口中可能是递归调用每一个组成部分的interpret()方法。 

3.解释器模式代码实例

本节Jungle使用解释器模式实现下面一个小功能：

设计一个简单的解释器，使得系统可以解释0和1的或运算和与运算（不考虑或运算和与运算的优先级，即从左往右依次运算），语句表达式和输出结果的几个实例如下表：

表达式及输出结果部分实例表

表达式	输出结果	表达式	输出结果
1 and 1	1	0 or 0	0
1 or 1	1	1 and 1 or 0	1
1 or 0	1	0 or 1 and 0	0
1 and 0	0	0 or 1 and 1 or 1	1
0 and 0	0	1 or 0 and 1 and 0 or 0	0

结合前面叙述的解释器模式的结构和本例，可以划分出以下角色：

• 终结符表达式角色——值节点（ValueNode）：0、1，因为它们是表达式的基本组成元素，不可再细分
• 终结符表达式角色——运算符节点（OperatorNode）：运算符号“and”和“or” ，同样也是表达式的基本组成元素
• 非终结符表达式角色——句子节点（SentenceNode）：类似于“1 and 1”这样的表达式或者更长的组合表达式
• 上下文类角色——处理者（Handler）：保存输入的表达式和输出的结果

由此，本例的UML实例图如下：

3.1.抽象表达式

1. // 抽象表达式类

2. class AbstractNode

3. {

4. public:

5. AbstractNode(){}

6. // 声明抽象接口

7. virtual char interpret() = 0;

8. };

3.2.终结符表达式角色——值节点

1. // 终结符表达式：ValueNode

2. class ValueNode :public AbstractNode

3. {

4. public :

5. ValueNode(){}

6. ValueNode(int iValue){

7. this->value = iValue;

8. }

9. // 实现解释操作

10. char interpret(){

11. return value;

12. }

13. private:

14. int value;

15. };

3.3.终结符表达式角色——运算符节点

1. // 终结符表达式：OperationNode

2. class OperatorNode :public AbstractNode

3. {

4. public:

5. OperatorNode(){}

6. OperatorNode(string iOp){

7. this->op = iOp;

8. }

9. // 实现解释操作

10. char interpret(){

11. if (op == "and"){

12. return '&';

13. }

14. else if (op == "or"){

15. return '|';

16. }

17. return 0;

18. }

19. private:

20. string op;

21. };

3.4.非终结符表达式角色——句子节点

每一个句子节点由“左值节点+运算符节点+右值节点”组成。

1. // 非终结符表达式：SentenceNode

2. class SentenceNode :public AbstractNode

3. {

4. public:

5. SentenceNode(){}

6. SentenceNode(AbstractNode *iLeftNode,

7. AbstractNode *iRightNode, AbstractNode* iOperatorNode){

8. this->leftNode = iLeftNode;

9. this->rightNode = iRightNode;

10. this->operatorNode = iOperatorNode;

11. }

12. char interpret(){

13. if (operatorNode->interpret() == '&'){

14. return leftNode->interpret()&rightNode->interpret();

15. }

16. else{

17. return leftNode->interpret()|rightNode->interpret();

18. }

19. return 0;

20. }

21. private:

22. AbstractNode *leftNode;

23. AbstractNode *rightNode;

24. AbstractNode *operatorNode;

25. };

3.5.上下文角色——处理者

处理者将处理输入的表达式，并解释出表达式最终的结果。

1. // 处理者

2. class Handler

3. {

4. public:

5. Handler(){}

6. void setInput(string iInput){

7. this->input = iInput;

8. }

9. void handle(){

10. AbstractNode *left = NULL;

11. AbstractNode *right = NULL;

12. AbstractNode *op = NULL;

13. AbstractNode *sentence = NULL;

14. string iInput = this->input;

15. vector<string>inputList;

16. char* inputCh = const_cast<char*>(iInput.c_str());

17. char *token = strtok(inputCh, " ");

18. while (token != NULL){

19. inputList.push_back(token);

20. token = strtok(NULL, " ");

21. }

22. for (int i = 0; i < inputList.size() - 2; i += 2){

23. left = new ValueNode(*(inputList[i].c_str()));

24. op = new OperatorNode(inputList[i + 1]);

25. right = new ValueNode(*(inputList[i+2].c_str()));

26. sentence = new SentenceNode(left, right, op);

27. inputList[i + 2] = string(1, sentence->interpret());

28. }

29. string tmpRes = inputList[inputList.size() - 1];

30. if (tmpRes == "1"){

31. result = 1;

32. }

33. else if (tmpRes == "0"){

34. result = 0;

35. }

36. else{

37. result = -1;

38. }

39. this->output();

40. }

41. void output(){

42. printf("%s = %d\n", input.c_str(), result);

43. }

44. private:

45. string input;

46. char result;

47. };

3.6.客户端代码示例和结果 

1. #include <iostream>

2. #include "InterpreterPattern.h"

3.  

4. int main()

5. {

6. Handler *handler = new Handler();

7.  

8. string input_1 = "1 and 1";

9. string input_2 = "1 and 0";

10. string input_3 = "0 and 1";

11. string input_4 = "0 and 0";

12. string input_5 = "0 or 0";

13. string input_6 = "0 or 1";

14. string input_7 = "1 or 0";

15. string input_8 = "1 or 1";

16. string input_9 = "1 and 0 or 1";

17. string input_10 = "0 or 0 and 1";

18. string input_11 = "1 or 1 and 1 and 0";

19. string input_12 = "0 and 1 and 1 and 1";

20. string input_13 = "0 and 1 and 1 and 1 or 1 or 0 and 1";

21. handler->setInput(input_1); handler->handle();

22. handler->setInput(input_2); handler->handle();

23. handler->setInput(input_3); handler->handle();

24. handler->setInput(input_4); handler->handle();

25. handler->setInput(input_5); handler->handle();

26. handler->setInput(input_6); handler->handle();

27. handler->setInput(input_7); handler->handle();

28. handler->setInput(input_8); handler->handle();

29. handler->setInput(input_9); handler->handle();

30. handler->setInput(input_10); handler->handle();

31. handler->setInput(input_11); handler->handle();

32. handler->setInput(input_12); handler->handle();

33. handler->setInput(input_13); handler->handle();

34.  

35. printf("\n\n");

36. system("pause");

37. return 0;

38. }

运行结果如下：

 4.总结

优点：

• 易于改变和扩展文法，在解释器中使用类表示语言的文法规则，可以通过继承等机制类改变或扩展文法；
• 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；
• 如果要增加新的解释表达式，只需增加一个新的终结符表达式或非终结符表达式类，无需修改原有代码，符合开闭原则。

缺点：

• 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，类的个数将会大量增加，导致系统难以管理和维护；
• 执行效率低，因为解释器模式中有大量循环和递归调用。

适用环境：

• 一些重复出现的问题可以用一种简单的语言进行表达；
• 一个语言的文法较为简单；
• 不考虑执行效率的问题时可以使用解释器模式。