23.解释器模式（ Interpreter Pattern）-优快云博客

定义

解释器模式（Interpreter Pattern）是一种行为型设计模式，它提供了一个解释语言的方式。该模式用于处理一个特定语言的语法规则，通过一个解释器（通常是一个类或一组类）来解释和执行该语言的语法。解释器模式通常用于实现一个简单的编程语言、脚本语言或表达式求值。

特性

解释器：解释器模式通过为每种语法规则定义一个类，使得客户端可以在此类上调用 interpret() 方法，从而理解和执行语法规则。
抽象语法树：解释器模式常常通过构建一个抽象语法树（AST）来表示语法规则的结构，并递归地解释和执行这些规则。

场景

适用场景

需要处理表达式求值：当系统需要处理数学表达式、查询语言（如 SQL）等，解释器模式可以通过定义语法规则来解析和求值这些表达式。
语言的语法规则明确：当系统涉及到的语言（如算术表达式、逻辑表达式）有明确的语法规则时，解释器模式能够将这些规则封装成对象。
简单的编程语言实现：如果需要设计一种简单的领域特定语言（DSL），并对其进行求值或解释，解释器模式非常适合。

应用场景

计算器：用于解析和计算简单的算术表达式。
SQL查询解析器：用于解析和执行简单的数据库查询。
正则表达式的解释：可以通过解释器模式实现正则表达式引擎来进行模式匹配。

类设计

解释器模式通常包括以下几个角色：

Expression（抽象表达式）：声明所有的解释操作，这些操作通常是抽象的，具体的解释工作由子类来完成。
TerminalExpression（终结符表达式）：实现 Expression 接口，负责解释具体的基本语法元素（如数字、常量等）。
NonTerminalExpression（非终结符表达式）：实现 Expression 接口，负责解释由多个表达式组合而成的复合语法元素（如加法、乘法等）。
Context（上下文）：存储解释器的执行环境，通常保存了变量的值或计算所需的状态信息。
Client（客户端）：客户端创建解释器对象并初始化上下文，然后调用解释器的 interpret() 方法。

代码实现

我们通过设计一个简单的数学表达式求值系统来演示解释器模式。这个系统能够解析并计算类似 “3 + 5” 或 “10 - 2 + 3” 的数学表达式。

1. 定义抽象表达式类（Expression）

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

// 抽象表达式接口
class Expression {
public:
    virtual int interpret() = 0;  // 解释方法，返回计算结果
    virtual ~Expression() {}
};

Expression 是所有表达式的抽象接口，声明了 interpret() 方法，该方法将执行表达式的解释（计算）。

2. 定义终结符表达式类（TerminalExpression）

// 终结符表达式类，表示数字
class Number : public Expression {
private:
    int value;

public:
    Number(int value) : value(value) {}

    int interpret() override {
        return value;  // 返回数字的值
    }
};

Number 类代表终结符表达式，它表示一个数字。interpret() 方法直接返回数字的值。

3. 定义非终结符表达式类（NonTerminalExpression）

// 非终结符表达式类，表示加法
class Addition : public Expression {
private:
    shared_ptr<Expression> left, right;

public:
    Addition(shared_ptr<Expression> left, shared_ptr<Expression> right)
        : left(left), right(right) {}

    int interpret() override {
        return left->interpret() + right->interpret();  // 加法运算
    }
};

// 非终结符表达式类，表示减法
class Subtraction : public Expression {
private:
    shared_ptr<Expression> left, right;

public:
    Subtraction(shared_ptr<Expression> left, shared_ptr<Expression> right)
        : left(left), right(right) {}

    int interpret() override {
        return left->interpret() - right->interpret();  // 减法运算
    }
};

Addition 和 Subtraction 类分别表示加法和减法运算，它们是非终结符表达式类，代表了由多个子表达式组成的复合表达式。
每个非终结符表达式都持有两个子表达式（left 和 right），通过递归地调用子表达式的 interpret() 方法来计算结果。

4. 客户端调用

int main() {
    // 构建表达式 3 + 5
    shared_ptr<Expression> expression1 = make_shared<Addition>(make_shared<Number>(3), make_shared<Number>(5));
    cout << "3 + 5 = " << expression1->interpret() << endl;  // 输出: 3 + 5 = 8

    // 构建表达式 10 - 2 + 3
    shared_ptr<Expression> expression2 = make_shared<Addition>(
        make_shared<Subtraction>(make_shared<Number>(10), make_shared<Number>(2)),
        make_shared<Number>(3)
    );
    cout << "10 - 2 + 3 = " << expression2->interpret() << endl;  // 输出: 10 - 2 + 3 = 11

    return 0;
}