突破编程_C++_设计模式（解释器模式）

1 解释器模式的基本概念

C++ 解释器模式的基本概念主要涉及到给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。

解释器模式解决的问题是，如果一种特定类型的问题发生的频率足够高，那么可能就值得将该问题的各个实例表述为一个简单语言中的句子。这样就可以构建一个解释器，该解释器通过解释这些句子来解决该问题。正则表达式就是解释器模式的一种应用，解释器为正则表达式定义了一个文法和表示一个特定的正则表达式，以及如何解释这个正则表达式。

解释器模式类结构中包含了多个角色，例如：

（1）AbstractExpression： 抽象表达式，声明一个抽象的解释操作，这个接口为抽象语法树中所有的节点所共享。

（2）Context： 解释器上下文环境类，用来存储解释器上下文环境，比如需要解释的文法等。
解释器模式的应用场景主要是文法简单的情况。对于复杂的文法，文法的类层次会变得庞大而无法管理，此时语法分析程序生成器这样的工具是更好的选择。同时，解释器模式并不总是追求效率，最高效的解释器通常不是通过直接解释语法分析树实现的，而是首先将它们转换成另一种形式。

总体而言，C++ 解释器模式是一种用于处理和解释特定语言句子的设计模式，它可以帮助我们更好地理解和解决特定类型的问题。

2 解释器模式的实现步骤

解释器模式的实现步骤如下：

（1）定义抽象表达式（AbstractExpression）：

创建一个抽象基类，用于表示文法中的表达式。
定义解释方法（interpret），该方法负责执行具体的解释逻辑。
根据需要，可以定义其他方法或属性，以支持解释过程。

（2）实现具体表达式（TerminalExpression 和 NonterminalExpression）：

根据文法的具体规则，创建继承自抽象表达式的具体表达式类。
对于文法中的终结符（Terminal），创建TerminalExpression类，并实现解释方法。
对于文法中的非终结符（Nonterminal），创建NonterminalExpression类，并实现解释方法。非终结符通常包含对其他表达式的引用，并在解释方法中调用它们的解释方法。

（3）定义上下文环境（Context）：

创建一个上下文环境类，用于存储解释过程中需要的信息。
上下文环境可以包含全局变量、辅助函数等，供解释器在解释过程中使用。

（4）构建抽象语法树（AST）：

根据输入的句子或表达式，构建对应的抽象语法树。
每个节点对应一个具体表达式对象，根据文法的结构，将节点组织成树状结构。

（5）实现解释器（Interpreter）：

创建一个解释器类，负责调用抽象语法树的根节点进行解释。
解释器接收上下文环境作为参数，并在解释过程中使用它。
解释器从根节点开始，递归地调用节点的解释方法，直到整个语法树被解释完毕。

（6）使用解释器：

初始化上下文环境，并构建抽象语法树。
创建解释器对象，并传入上下文环境。
调用解释器的解释方法，开始解释过程。
解释器根据语法树的结构和节点的解释方法，逐步执行解释操作，并产生相应的结果。

如下为样例代码：

#include <iostream>  
#include <string>  
#include <vector>  
#include <memory>  // 上下文环境  
class Context {
public:void addOutput(const std::string& value) {output.push_back(value);}std::string input;std::vector<std::string> output;
};// 抽象表达式  
class AbstractExpression {
public:virtual ~AbstractExpression() {}virtual void interpret(Context& context) = 0;
};// 具体表达式 - 终结符  
class TerminalExpression : public AbstractExpression {
public:void interpret(Context& context) override {context.addOutput("Terminal Expression interpreted");}
};// 具体表达式 - 非终结符  
class NonterminalExpression : public AbstractExpression {
public:NonterminalExpression(std::unique_ptr<AbstractExpression> l, std::unique_ptr<AbstractExpression> r): left(std::move(l)), right(std::move(r)) {}void interpret(Context& context) override {context.addOutput("Nonterminal Expression interpreted (");left->interpret(context);context.addOutput(", ");right->interpret(context);context.addOutput(")");}private:std::unique_ptr<AbstractExpression> left;std::unique_ptr<AbstractExpression> right;
};// 解释器  
class Interpreter {
public:Interpreter(std::unique_ptr<AbstractExpression> exp) : expression(std::move(exp)) {}void interpret(Context& context) {expression->interpret(context);}private:std::unique_ptr<AbstractExpression> expression;
};int main() 
{// 创建具体表达式  auto terminal = std::make_unique<TerminalExpression>();auto nonterminal = std::make_unique<NonterminalExpression>(std::make_unique<TerminalExpression>(),std::make_unique<TerminalExpression>());// 创建上下文环境  Context context;context.input = "Sample input";// 创建解释器  Interpreter interpreter(std::move(nonterminal));// 解释执行  interpreter.interpret(context);// 输出结果  for (const auto& output : context.output) {std::cout << output << std::endl;}return 0;
}

上面代码的输出为：

Nonterminal Expression interpreted (
Terminal Expression interpreted
,
Terminal Expression interpreted
)

这个样例代码定义了一个简单的解释器模式。它包含一个抽象表达式类 AbstractExpression，一个上下文环境类 Context，两个具体表达式类 TerminalExpression 和 NonterminalExpression，以及一个解释器类 Interpreter。

在 main 函数中，创建了一个 TerminalExpression 实例和一个包含两个 TerminalExpression 实例的 NonterminalExpression 实例。然后，创建了一个上下文环境实例，并初始化了一些输入数据。接下来，创建了一个解释器实例，并将 NonterminalExpression 实例传递给解释器。最后，调用解释器的 interpret 方法来执行解释操作，并输出结果。

3 解释器模式的应用场景

C++ 解释器模式的应用场景广泛，主要适用于以下情况：

（1）配置文件解析： 应用程序的配置文件通常包含特定的语法规则，用于定义各种设置和参数。解释器模式可以用于解析这些配置文件，并将其转换为程序可以理解的格式。

（2）表达式求值： 在某些应用中，可能需要动态地解析和执行数学表达式、逻辑表达式或其他类型的表达式。解释器模式允许你定义这些表达式的语法，并提供解释器来执行它们。

（3）文本处理： 在处理文本文件或字符串时，可能需要根据特定的语法规则来解析和提取信息。解释器模式可以帮助你定义这些规则，并提供相应的解释器来处理文本数据。

（4）自定义编程语言解释： 当需要创建自己的编程语言时，解释器模式非常有用。则可以定义语言的语法规则，并使用解释器模式来解析和执行这些规则。这样可以实现语言的灵活性和可扩展性。

（5）业务规则引擎： 在某些业务应用中，可能需要根据一系列复杂的业务规则来做出决策。解释器模式允许你定义这些规则，并提供解释器来根据这些规则进行推理和决策。

3.1 解释器模式应用于配置文件解析

如下是一个使用解释器模式进行配置文件解析的示例：

#include <iostream>  
#include <memory>  
#include <string>  
#include <unordered_map>  // 抽象表达式  
class AbstractExpression {
public:virtual ~AbstractExpression() {}virtual void interpret(const std::string& line, std::unordered_map<std::string, std::string>& values) = 0;
};// 具体表达式 - 键值对解析  
class KeyValueExpression : public AbstractExpression {
public:void interpret(const std::string& line, std::unordered_map<std::string, std::string>& values) override {size_t pos = line.find('=');if (pos != std::string::npos) {std::string key = line.substr(0, pos);std::string value = line.substr(pos + 1);values[key] = value;std::cout << "Parsed key-value pair: " << key << " = " << value << std::endl;}else {std::cout << "Invalid line format: " << line << std::endl;}}
};// 解释器上下文  
class Context {
public:std::unordered_map<std::string, std::string> values;
};// 解释器  
class Interpreter {
public:Interpreter(std::unique_ptr<AbstractExpression> exp) : expression(std::move(exp)) {}void interpret(const std::string& line, Context& context) {expression->interpret(line, context.values);}private:std::unique_ptr<AbstractExpression> expression;
};int main() 
{// 创建具体表达式实例  auto keyValueExpr = std::make_unique<KeyValueExpression>();// 创建解释器上下文  Context context;// 创建解释器  Interpreter interpreter(std::move(keyValueExpr));// 示例配置文件内容  std::vector<std::string> configLines = {"username=zhangsan","password=123456@654321","server=example.com","invalid_line" // 无效行，应该被忽略  };// 解析配置文件  for (const auto& line : configLines) {interpreter.interpret(line, context);}// 输出解析结果  for (const auto& pair : context.values) {std::cout << "Parsed value for " << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;}return 0;
}

上面代码的输出为：

Parsed key-value pair: username = zhangsan
Parsed key-value pair: password = 123456@654321
Parsed key-value pair: server = example.com
Invalid line format: invalid_line
Parsed value for username: zhangsan
Parsed value for password: 123456@654321
Parsed value for server: example.com

这个示例中定义了一个 AbstractExpression 抽象类，它有一个 interpret 方法需要子类来实现。KeyValueExpression 类继承自 AbstractExpression，并实现了 interpret 方法以解析键值对。

Context 类用于存储解析得到的键值对。

Interpreter 类负责使用具体的表达式实例来解析配置文件中的每一行。它接收一个 AbstractExpression的智能指针，并在 interpret 方法中调用该表达式的 interpret 方法。

在 main 函数中，创建了一个 KeyValueExpression 的实例，并将其传递给 Interpreter。然后，遍历示例配置文件中的每一行，并使用解释器来解析它们。最后，输出解析得到的键值对。

3.2 解释器模式应用于表达式求值

如下是一个使用解释器模式进行表达式求值的示例

#include <iostream>  
#include <memory>  
#include <stdexcept>  // 抽象表达式  
class AbstractExpression {
public:virtual ~AbstractExpression() {}virtual double interpret() = 0;
};// 数字表达式  
class NumberExpression : public AbstractExpression {
public:NumberExpression(double val) : value(val) {}double interpret() override { return value; }
private:double value;
};// 加法表达式  
class AdditionExpression : public AbstractExpression {
public:AdditionExpression(std::unique_ptr<AbstractExpression> l, std::unique_ptr<AbstractExpression> r): left(std::move(l)), right(std::move(r)) {}double interpret() override {return left->interpret() + right->interpret();}
private:std::unique_ptr<AbstractExpression> left;std::unique_ptr<AbstractExpression> right;
};// 解释器上下文（在这个例子中，上下文没有额外信息，因此可以省略）  // 解释器  
class Interpreter {
public:Interpreter() {}// 解析并计算表达式  double interpret(std::unique_ptr<AbstractExpression> expression) {return expression->interpret();}
};int main() 
{// 创建表达式树  auto five = std::make_unique<NumberExpression>(5.0);auto three = std::make_unique<NumberExpression>(3.0);auto sum = std::make_unique<AdditionExpression>(std::move(five), std::move(three));// 创建解释器  Interpreter interpreter;// 计算表达式的结果  double result = interpreter.interpret(std::move(sum));// 输出结果  std::cout << "The result of the expression is: " << result << std::endl;return 0;
}