解释器模式（Interpreter Pattern）

概念

解释器模式是一种行为型设计模式，它定义了一种语言文法的表示，并且使用该表示来解释解析输入。它允许你用特定方式执行对语言的解释，从而实现对特定问题的求解。

思想

解释器模式的思想是将一个语言的文法表示为一个解释器类的层次结构，每个类表示该语言的一个语法规则。通过组合这些语法规则类的实例，可以构建复杂的表达式来解释给定的输入。

角色

1. 抽象表达式（AbstractExpression）：定义了一个抽象的解释方法 interpret()，所有具体表达式类都要实现这个方法。
2. 终结符表达式（TerminalExpression）：实现了抽象表达式的 interpret() 方法，表示该语法规则的终结符。
3. 非终结符表达式（NonterminalExpression）：实现了抽象表达式的 interpret() 方法，表示该语法规则的非终结符。
4. 环境（Context）：包含了解释器所需的全局信息。

优点

• 可扩展性强：可以方便地添加新的语法规则或修改现有规则，而不影响其他部分。
• 灵活性好：可以通过改变语法规则的组合方式，实现不同的解释行为。
• 易于实现语法：语法规则由类表示，易于理解和实现。

缺点

• 可能产生大量的类：每个语法规则都需要定义一个表达式类，当语法规则较多时，可能导致类的爆炸性增长。
• 可能导致复杂的解释器结构：随着语法规则的增加，解释器的结构可能变得复杂，难以维护和理解。

类图

@startuml
class Client {
  +interpret(context: Context): void
}

class AbstractExpression {
  +interpret(context: Context): void
}

class TerminalExpression {
  +interpret(context: Context): void
}

class NonterminalExpression {
  +interpret(context: Context): void
}

class Context {
  -input: String
  -output: String
  +getInput(): String
  +setInput(input: String): void
  +getOutput(): String
  +setOutput(output: String): void
}

AbstractExpression <|-- TerminalExpression
AbstractExpression <|-- NonterminalExpression

Client --> AbstractExpression
Client --> Context
@enduml

时序图

@startuml
actor Client

Client -> Context: setInput(input)
Client -> AbstractExpression: interpret(context)
AbstractExpression --> TerminalExpression: interpret(context)
AbstractExpression --> NonterminalExpression: interpret(context)
NonterminalExpression --> AbstractExpression: interpret(context)
NonterminalExpression --> Context: setOutput(output)
Client --> Context: getOutput()

@enduml

示例代码

下面是一个简单的示例代码，使用C++实现一个解释器模式来解释并计算两个数的加法操作。

#include <iostream>
#include <sstream>

// 抽象表达式
class Expression {
public:
    virtual int interpret() = 0;
};

// 终结符表达式
class NumberExpression : public Expression {
private:
    int value;

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

    int interpret() override {
        return value;
    }
};

// 非终结符表达式
class AddExpression : public Expression {
private:
    Expression* left;
    Expression* right;

public:
    AddExpression(Expression* left, Expression* right) : left(left), right(right) {}

    int interpret() override {
        return left->interpret() + right->interpret();
    }
};

// 客户端
class Client {
public:
    static int interpret(Expression* expression) {
        return expression->interpret();
    }
};

int main() {
    // 构建解释器表达式：(3 + 5)
    Expression* three = new NumberExpression(3);
    Expression* five = new NumberExpression(5);
    Expression* addition = new AddExpression(three, five);

    // 客户端解释并计算结果
    int result = Client::interpret(addition);
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;

    // 释放内存
    delete three;
    delete five;
    delete addition;

    return 0;
}

运行结果：

Result: 8

示例代码中，我们定义了抽象表达式类 Expression，它包含一个纯虚函数 interpret()。NumberExpression 和 AddExpression 分别表示数字和加法表达式，它们都实现了 interpret() 方法来进行解释和计算。

在 Client 类中，我们使用解释器模式来构建一个加法表达式 (3 + 5)，并通过调用 interpret() 方法来计算结果。最后，打印出计算结果为 8。

注意：示例代码只是一个简单的示例，实际应用中解释器模式可以用于更复杂的语言解析和计算场景。