解释器模式详解(附带C++实例)
解释器模式是一种特定的设计模式,它为某个语言定义一个表示和提供一个解释器,通过这个解释器可以解释该语言中的句子。
解释器模式通常用于频繁改变或复杂的算法表示,使得算法的修改和扩展更加容易。解释器模式的核心思想是将语法表达式分解为多个更小的部分,然后通过解释器递归地处理这些部分,从而实现对整个表达式的解析和处理。
这些角色合作,构成了一个完整的解释器模式,能够解释复杂的表达式或命令,如下图所示。

图 1 解释器模式
在设计解释器时,通常需要注意抽象表达式的定义是否足够通用,以及是否所有的具体表达式都恰当地实现了其定义的接口。同时,上下文的设计也非常关键,它需要为解释过程提供必要的环境或状态,而客户则负责根据需要创建和组合这些表达式,最终形成一个适用的解释器。
在这个例子中,我们将构建一个简单的布尔逻辑表达式解释器,用于解析和计算形如“true AND false”或“true OR (false AND true)”的表达式。这个例子将涉及解释器模式中的抽象表达式、终结符表达式、非终结符表达式、上下文和客户。

图 2 解释器模式角色
具体说明如下:
以下是适合使用解释器模式的一些典型场合。
解释器模式在 C++ 中非常适合用于那些需要灵活解释和执行自定义或特定规则的应用。然而,考虑到其潜在的性能问题和难以扩展的特性,它更适用于规则相对简单且变更不频繁的语言解析任务。在决定是否使用解释器模式时,应该根据具体需求和上下文权衡其优势和局限。
解释器模式通常用于频繁改变或复杂的算法表示,使得算法的修改和扩展更加容易。解释器模式的核心思想是将语法表达式分解为多个更小的部分,然后通过解释器递归地处理这些部分,从而实现对整个表达式的解析和处理。
解释器模式的核心组成
解释器模式的设计通常涉及多个角色,每个角色承担不同的职责。- 抽象表达式(abstract expression):定义解释操作的接口。所有具体表达式类都需遵循此接口,以确保统一性和可替换性;
-
具体表达式(concrete expression):实现抽象表达式中定义的解释方法。具体表达式包括两类:
- 终结符表达式(terminal expression):实现与语法中的终结符相关的解释操作。每个终结符表达式通常对应语言的一个基本规则;
- 非终结符表达式(nonterminal expression):对文法的非终结符规则进行解释。通常为复合表达式,可能包含多个终结符或非终结符表达式的组合,用于处理更复杂的语法结构。
- 上下文(context):存储解释器之外的全局信息,如变量的当前状态或为解释操作提供必要的环境信息。
- 客户(client):构建(或被提供)抽象语法树,由抽象表达式派生的实例组成。客户负责组装表达式,并根据语言的语法构建解释器结构,启动解释操作。
这些角色合作,构成了一个完整的解释器模式,能够解释复杂的表达式或命令,如下图所示。

图 1 解释器模式
在设计解释器时,通常需要注意抽象表达式的定义是否足够通用,以及是否所有的具体表达式都恰当地实现了其定义的接口。同时,上下文的设计也非常关键,它需要为解释过程提供必要的环境或状态,而客户则负责根据需要创建和组合这些表达式,最终形成一个适用的解释器。
解释器模式示例展示
下面通过一个具体的示例来阐述解释器模式在 C++ 中的应用。在这个例子中,我们将构建一个简单的布尔逻辑表达式解释器,用于解析和计算形如“true AND false”或“true OR (false AND true)”的表达式。这个例子将涉及解释器模式中的抽象表达式、终结符表达式、非终结符表达式、上下文和客户。
#include <iostream> #include <string> #include <memory> #include <map> // 抽象表达式 class AbstractExpression { public: virtual bool interpret(const std::map<std::string, bool>& context) = 0; virtual ~AbstractExpression() {} }; // 终结符表达式 class TerminalExpression : public AbstractExpression { private: std::string variable; public: TerminalExpression(const std::string& variable) : variable(variable) {} bool interpret(const std::map<std::string, bool>& context) override { return context.at(variable); } }; // 非终结符表达式:AND class AndExpression : public AbstractExpression { private: std::shared_ptr<AbstractExpression> expr1; std::shared_ptr<AbstractExpression> expr2; public: AndExpression(std::shared_ptr<AbstractExpression> expr1, std::shared_ptr<AbstractExpression> expr2) : expr1(expr1), expr2(expr2) {} bool interpret(const std::map<std::string, bool>& context) override { return expr1->interpret(context) && expr2->interpret(context); } }; // 非终结符表达式:OR class OrExpression : public AbstractExpression { private: std::shared_ptr<AbstractExpression> expr1; std::shared_ptr<AbstractExpression> expr2; public: OrExpression(std::shared_ptr<AbstractExpression> expr1, std::shared_ptr<AbstractExpression> expr2) : expr1(expr1), expr2(expr2) {} bool interpret(const std::map<std::string, bool>& context) override { return expr1->interpret(context) || expr2->interpret(context); } }; // 客户(client)构建表达式 std::shared_ptr<AbstractExpression> buildExpressionTree() { // 上下文:用户变量定义 std::shared_ptr<AbstractExpression> expr1 = std::make_shared<TerminalExpression>("X"); std::shared_ptr<AbstractExpression> expr2 = std::make_shared<TerminalExpression>("Y"); std::shared_ptr<AbstractExpression> expr3 = std::make_shared<AndExpression>(expr1, expr2); return std::make_shared<OrExpression>(expr3, std::make_shared<TerminalExpression>("Z")); } int main() { std::shared_ptr<AbstractExpression> expression = buildExpressionTree(); std::map<std::string, bool> context = {{"X", true}, {"Y", false}, {"Z", true}}; bool result = expression->interpret(context); std::cout << "The result is " << (result ? "true" : "false") << std::endl; return 0; }示例中解释器模式角色如下图所示:

图 2 解释器模式角色
具体说明如下:
- 抽象表达式:这是一个定义了 interpret 方法接口的类。在本例中,AbstractExpression 是基类,定义了所有具体表达式类必须实现的 interpret 方法;
-
具体表达式:有两种类型:
- 终结符表达式:TerminalExpression 类,它直接从上下文中返回一个变量的值。
- 非终结符表达式:AndExpression 和 OrExpression 类,这些类代表包含逻辑运算符(AND 和 OR)的复杂表达式。这些类通过组合其他表达式(可以是终结符也可以是非终结符表达式)来计算表达式的值。
- 上下文:在 main 函数中,context 是一个 std::map<std::string, bool> ,它为表达式的变量提供具体的布尔值。
- 客户:buildExpressionTree 函数扮演了客户的角色,构建了表达式的结构。客户端决定表达式的结构并提供所需的上下文以便求值。
解释器模式应用场景
解释器模式在 C++ 中适用于一些特定的场景,尤其是那些涉及解析和执行定义好的语言或表达式的场景。以下是适合使用解释器模式的一些典型场合。
1) 解析表达式或语言
当需要解析和执行用户定义的复杂表达式或小型编程语言时,解释器模式是一个理想的选择。例如,开发一个工具来解析数学表达式、布尔逻辑表达式或特定领域的脚本语言。2) 配置脚本解释
在软件工具或游戏中,解释器模式可以用来解释和执行配置文件或脚本,这些脚本定义了特定的行为或游戏规则。3) SQL解析器
数据库查询语言(如 SQL),是解释器模式的另一个应用。SQL 解析器可以解释和执行数据库查询命令,管理数据库操作。4) 编程语言的解释器和编译器
虽然现代编程语言大多使用复杂的编译器技术,但简单的编程语言或脚本语言仍可通过解释器模式来实现。这适用于那些语法相对简单,执行效率要求不是特别高的场景。解释器模式界限和考虑
尽管解释器模式在上述场合中非常有用,但它也有局限性,应当在满足以下条件时谨慎使用:- 性能问题:解释器模式通常涉及大量的动态解析,这可能导致性能问题,特别是在解析大型或复杂的表达式时。如果性能是一个关键因素,可能需要考虑其他方法,如直接编译到机器码而非运行时解析;
- 复杂性管理:对于非常复杂的语言,如完整的编程语言,解释器模式可能过于简单,难以有效管理。在这些情况下,更复杂的编译器/解释器架构(如使用抽象语法树、优化器、字节码等)可能更为合适;
- 维护难度:随着解释的语言或表达式的复杂性增加,维护由解释器模式构建的解释器可能会变得困难。这种模式要求开发者对解释的语言有深入的理解,而且代码可能难以适应语言规则的变更。
解释器模式在 C++ 中非常适合用于那些需要灵活解释和执行自定义或特定规则的应用。然而,考虑到其潜在的性能问题和难以扩展的特性,它更适用于规则相对简单且变更不频繁的语言解析任务。在决定是否使用解释器模式时,应该根据具体需求和上下文权衡其优势和局限。