设计模式之解释器模式详解及实例

1、解释器设计模式概述：

解释器模式（Interpreter Pattern）是一种设计模式，它主要用于描述如何构建一个解释器以解释特定的语言或表达式。该模式定义了一个文法表示和解释器的类结构，用于解释符合该文法规则的语句。解释器模式通常用于实现编程语言解释器、自定义脚本引擎等场景。

在解释器模式中，有以下几个关键角色：

• 抽象表达式（Abstract Expression）：定义一个接口，用于表示不同类型的表达式。

• 终结符表达式（Terminal Expression）：实现抽象表达式接口的具体类，用于解释终结符表达式。

• 非终结符表达式（Non-Terminal Expression）：实现抽象表达式接口的具体类，用于解释非终结符表达式。

• 上下文（Context）：包含解释器需要的全局信息以及待解释的表达式。

• 客户端（Client）：构建解释器并调用解释方法。

2、解释器设计模式的适用场景：

• 当需要开发一个解释器，用于解释特定的语言或表达式时。

• 当需要表示一个复杂的语法规则，并且希望易于扩展和维护时。

• 当需要解释一些固定的文法，如数学表达式、逻辑表达式等场景。

3、解释器设计模式的优点：

• 易于扩展：当需要增加新的文法规则时，只需增加新的非终结符表达式类，无需修改原有代码，符合开闭原则。

• 解耦：将文法规则的表示和解释过程分离，使得代码结构更清晰。

• 易于维护：每个文法规则对应一个非终结符表达式类，当需要修改或维护某个规则时，只需修改对应的类即可。

举例说明：假设我们需要实现一个简单的计算器，支持加法和减法运算。我们可以通过解释器模式构建表达式类，分别表示加法和减法运算，以便能够解析和计算输入的表达式。

4、解释器设计模式的缺点：

• 执行效率较低：解释器模式通常需要递归调用，导致执行效率较低。

• 难以应对复杂的文法规则：当文法规则非常复杂时，解释器模式的类结构可能变得非常复杂，难以维护。

5、用C++实现一个解释器设计模式例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <stdexcept>class Expression {
public:virtual ~Expression() = default;virtual int interpret() const = 0;
};class AddExpression : public Expression {
private:std::shared_ptr<Expression> leftExpression;std::shared_ptr<Expression> rightExpression;public:AddExpression(std::shared_ptr<Expression> left, std::shared_ptr<Expression> right): leftExpression(left), rightExpression(right) {}int interpret() const override {return leftExpression->interpret() + rightExpression->interpret();}
};class SubtractExpression : public Expression {
private:std::shared_ptr<Expression> leftExpression;std::shared_ptr<Expression> rightExpression;public:SubtractExpression(std::shared_ptr<Expression> left, std::shared_ptr<Expression> right): leftExpression(left), rightExpression(right) {}int interpret() const override {return leftExpression->interpret() - rightExpression->interpret();}
};class NumberExpression : public Expression {
private:int number;public:explicit NumberExpression(int number) : number(number) {}int interpret() const override {return number;}
};std::shared_ptr<Expression> parseExpression(const std::string& expression) {size_t pos = expression.find_first_of("+-");if (pos == std::string::npos) {throw std::invalid_argument("Invalid expression");}std::shared_ptr<Expression> left = std::make_shared<NumberExpression>(std::stoi(expression.substr(0, pos)));std::shared_ptr<Expression> right = std::make_shared<NumberExpression>(std::stoi(expression.substr(pos + 1)));if (expression[pos] == '+') {return std::make_shared<AddExpression>(left, right);} else {return std::make_shared<SubtractExpression>(left, right);}
}int main() {std::string input;std::cout << "Enter an expression (e.g., 3+2 or 7-4): ";std::cin >> input;try {auto expression = parseExpression(input);std::cout << "Result: " << expression->interpret() << std::endl;} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}

        在这个例子中，我们定义了一个Expression接口，它包含一个纯虚函数interpret，用于计算表达式的值。我们实现了三个具体的表达式类：AddExpression（用于表示加法表达式），SubtractExpression（用于表示减法表达式）和NumberExpression（用于表示数字）。

        parseExpression函数接受一个字符串参数，它解析输入的字符串并根据运算符构建对应的Expression对象。main函数从用户获取输入的表达式，调用parseExpression函数构建表达式对象，并计算结果。