C++实现设计模式---解释器模式 (Interpreter Pattern)

解释器模式 (Interpreter Pattern)

解释器模式 是一种行为型设计模式，它提供了一个语言的语法表示，并定义了一个解释器来处理这个语言的语法。通过解释器模式，可以实现对特定语法或表达式的解析和执行。

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意图

• 定义一种语言的文法，并提供一个解释器来处理语言中的语句。
• 通过解析和解释特定语言的表达式，实现灵活的扩展和动态计算。

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使用场景

1. 需要解析特定语法或表达式：
   • 如计算器的表达式求值。
2. 语言规则相对简单，且可扩展：
   • 规则可以使用组合模式表达。
3. 需要对用户输入的语句进行解析并执行：
   • 如脚本语言解析器。

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参与者角色

1. 抽象表达式 (Expression)
   • 定义解释操作的接口。
2. 终结符表达式 (TerminalExpression)
   • 实现与文法中的终结符相关的解释操作。
3. 非终结符表达式 (NonTerminalExpression)
   • 实现文法中的非终结符的解释操作，通常是其他表达式的组合。
4. 上下文 (Context)
   • 包含解释器需要的全局信息。
5. 客户端 (Client)
   • 构建文法树，并通过调用解释器来解释表达式。

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示例代码

以下代码展示了解释器模式的实现，用于解析和计算简单的数学表达式。

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <unordered_map>// 抽象表达式
class Expression {
public:virtual ~Expression() = default;// 解释方法virtual int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const = 0;
};// 终结符表达式：变量
class VariableExpression : public Expression {
private:std::string name;public:explicit VariableExpression(std::string name) : name(std::move(name)) {}int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const override {auto it = context.find(name);if (it != context.end()) {return it->second; // 返回变量的值}throw std::runtime_error("变量未定义: " + name);}
};// 终结符表达式：常量
class ConstantExpression : public Expression {
private:int value;public:explicit ConstantExpression(int value) : value(value) {}int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const override {return value; // 返回常量值}
};// 非终结符表达式：加法
class AddExpression : public Expression {
private:std::shared_ptr<Expression> left;std::shared_ptr<Expression> right;public:AddExpression(std::shared_ptr<Expression> left, std::shared_ptr<Expression> right): left(std::move(left)), right(std::move(right)) {}int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const override {return left->interpret(context) + right->interpret(context); // 加法操作}
};// 非终结符表达式：减法
class SubtractExpression : public Expression {
private:std::shared_ptr<Expression> left;std::shared_ptr<Expression> right;public:SubtractExpression(std::shared_ptr<Expression> left, std::shared_ptr<Expression> right): left(std::move(left)), right(std::move(right)) {}int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const override {return left->interpret(context) - right->interpret(context); // 减法操作}
};// 客户端代码
int main() {// 构建表达式: (x + 10) - yauto x = std::make_shared<VariableExpression>("x");auto y = std::make_shared<VariableExpression>("y");auto constant = std::make_shared<ConstantExpression>(10);auto addExpr = std::make_shared<AddExpression>(x, constant); // x + 10auto subtractExpr = std::make_shared<SubtractExpression>(addExpr, y); // (x + 10) - y// 上下文std::unordered_map<std::string, int> context = {{"x", 5}, {"y", 3}};// 解释表达式std::cout << "表达式结果: " << subtractExpr->interpret(context) << "
"; // 输出结果: 12return 0;
}

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代码解析

1. 抽象表达式 (Expression)

• 定义了解释操作的接口，所有具体表达式类都需要实现此接口。

class Expression {
public:virtual ~Expression() = default;virtual int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const = 0;
};

2. 终结符表达式

• VariableExpression：表示变量，解释时从上下文中获取变量的值。
• ConstantExpression：表示常量，解释时直接返回常量值。

class VariableExpression : public Expression {int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const override {return context.at(name);}
};

3. 非终结符表达式

• AddExpression 和 SubtractExpression 实现了抽象表达式接口。
• 它们通过组合其他表达式实现复杂的语法结构。

class AddExpression : public Expression {int interpret(const std::unordered_map<std::string, int>& context) const override {return left->interpret(context) + right->interpret(context);}
};

4. 客户端代码

• 客户端通过组合表达式构建语法树，并传入上下文解析表达式。

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优缺点

优点

1. 扩展性强：
   • 可以轻松扩展新的表达式类型。
2. 语法清晰：
   • 将语言的语法结构化，易于维护和扩展。
3. 灵活性：
   • 通过组合模式，可以灵活构造复杂的语法。

缺点

1. 性能开销：
   • 每个表达式都是一个对象，可能导致较大的内存开销。
2. 复杂性高：
   • 对于复杂语法，类的数量可能急剧增加。
3. 适用范围有限：
   • 适用于简单语法，复杂语言解析时不适合。

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适用场景

1. 需要解释语言或语法：
   • 如编译器、计算器等。
2. 需要灵活扩展表达式的语法规则：
   • 通过组合表达式动态扩展语法。

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总结

解释器模式通过定义语言的文法和解释器，提供了一种解析和执行表达式的机制。它适用于简单语言或语法的解析场景，但对于复杂语言解析可能并不适合。