为方便读者，本文已添加至索引：
写在前面
“我刚写了个小程序，需要你来参与下。”我把MM叫到我的电脑旁，“来把下面这条命令打进去，这是个练习打(Pian)符(ni)号(de)的小程序，看看你能不能全部打正确”。
[*_]_7@1_9@1/(_5@0_3@0)*2/((_4@0)_2$1)_$2^/$1+(_7@0)*2/_$1_6$3/$3_2$3/_3$3_3@0/_5$3
MM诧异地看看我，然后可怜巴巴地坐到屏幕前，对着键盘一个字一个字地敲。她打字超慢的，各种符号都是用两个食指打进去的。她打着打着，说想哭了。我赶忙告诉她，加油，全打正确了有惊喜。
终于，她敲下了回车键。映入眼帘的是：
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_ _
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* *
*
她忽然就开心起来，问我这个是怎么回事。我告诉她，“这说明你刚才的命令输对了，电脑按照命令画出了它~。要不再接再厉，试试下面这个更有挑战性的？”
[#*]_@1*5/_(_2@1*2)/$0_9@1*6_(_@1*4)*2_3@1*5/$0_6$0_2$0*2+(_$0)*3/$0_5$0_3$0*3_3@1*8/(_2@0*2)_4@0+$3_3$3*2+(_@0*2)_2$3/$4_4@0_$3_2$3_4@0*3_3$3_2$3/@0*7_5@0*5_4$3_7@0*6
……
是不是读者你也想知道这个会是什么结果了吧？这当然跟我们今天的主题，解释器模式有关啦！会在示例一节展开。
其实，我们平时接触到的解释器模式相关的实际例子并不太多，最常见的莫过于正则表达式了。它通过规定一系列的文法规则，并给予了相关的解释操作，从而成为处理字符串的通用强大的工具。首先我们了解下解释器模式的相关技术要点，然后在示例部分，我们将解释上文中所出现的莫名的式子。
要点梳理
-
目的分类
- 类行为型模式
- 范围准则
- 类（该模式处理类和子类之间的关系，这些关系通过继承建立，是静态的，在编译时刻便确定下来了）
-
主要功能
- 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。
-
适用情况
- 当有一个语言需要解释执行, 并且我们可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时，可使用解释器模式。当存在以下情况时，效果最好：
- 该文法简单。对于复杂的文法, 文法的类层次变得庞大而无法管理
- 效率不是一个关键问题。最高效的解释器通常不是通过直接解释语法分析树实现。
- 当有一个语言需要解释执行, 并且我们可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时，可使用解释器模式。当存在以下情况时，效果最好：
-
参与部分
- 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
- TerminalExpression（终结符表达式）：实现与文法中的终结符相关联的解释操作，一个句子中的每个终结符需要该类的一个实例
- NonterminalExpression（非终结符表达式）：为文法中的非终结符实现解释操作。解释时，一般要递归调用它所维护的AbstractExpression类型对象的解释操作
- Context（上下文）：包含解释器之外的一些全局信息
- Client（用户）：构建(或被给定) 表示该文法定义的语言中一个特定的句子的抽象语法树。该抽象语法树由TerminalExpression和NonterminalExpression的实例装配而成。
-
协作过程
- Client构建一个句子，它是TerminalExpression和NonterminalExpression的实例的一个抽象语法树，然后初始化上下文，并调用解释操作。
- 每一非终结符表达式节点定义相应子表达式的解释操作。
- 每一节点的解释操作用上下文来存储和访问解释器的状态。
- UML图
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示例分析 - 字符画解释器
为了让MM不明觉厉，我想到了通过简单的解释器来实现，从字符串到一个字符画的转换过程。我觉得利用stringstream流可以方便地构建一个字符画，因此，我们首先确定我们实现这个模式的上下文（Context）就是stringstream对象。然后我们定义一些具体的字符操作表达式。它们是可以画出字符画的一些基本操作：
TerminalExpression：
- Constant：常量表达式。它也是终结符表达式。它的解释操作就是将一个固定的string插入到Context流中。
NonterminalExpression：
- RepeatExpression：重复表达式。它是非终结符表达式。它的解释操作就是使一个Expression重复N次。
- AddExpression：加法表达式。非终结符表达式。它的解释操作是使两个Expression拼接在一起。
- ReverseExpression：反转表达式。非终结符表达式。它的解释操作是使一个Expression逆序。
可以看到这几个表达式是可以构成抽象语法树的。让我们看看代码：
1 #ifndef EXPRESSION_H_INCLUDED
2 #define EXPRESSION_H_INCLUDED
3
4 #include <string>
5 #include <sstream>
6
7 using namespace std;
8
9 // ... Abstract Class ...
10 class Expression {
11 public:
12 Expression() {}
13 virtual ~Expression() {}
14
15 virtual void eval(stringstream&) = 0;
16 };
17
18 // ... RepeatExpression Class ...
19 class RepeatExpression : public Expression {
20 public:
21 RepeatExpression(Expression*, int);
22
23 void eval(stringstream&);
24 private:
25 Expression* _oper;
26 int _mNum;
27 };
28
29 // ... AddExpression Class ...
30 class AddExpression : public Expression {
31 public:
32 AddExpression(Expression*, Expression*);
33
34 void eval(stringstream&);
35 private:
36 Expression* _oper1;
37 Expression* _oper2;
38 };
39
40 // ... ReverseExpression Class ...
41 class ReverseExpression : public Expression {
42 public:
43 ReverseExpression(Expression*);
44
45 void eval(stringstream&);
46 private:
47 Expression* _oper;
48 };
49
50 // ... Constant Class ...
51 class Constant : public Expression {
52 public:
53 Constant(const char*);
54 Constant(const char*, int);
55
56 void eval(stringstream&);
57 private:
58 string _mStr;
59 };
60
61 #endif // EXPRESSION_H_INCLUDED
1 #include "expression.h"
2 #include <algorithm>
3 using namespace std;
4
5 // ... RepeatExpression BEGIN ...
6 RepeatExpression::RepeatExpression(Expression* oper, int m) {
7 _oper = oper;
8 _mNum = m;
9 }
10
11 void RepeatExpression::eval(stringstream& ss) {
12 stringstream t_str;
13 _oper->eval(t_str);
14 for (int i = 0; i < _mNum; i++) {
15 ss << t_str.str();
16 }
17 }
18 // ... RepeatExpression END ...
19
20 // ... AddExpression BEGIN ...
21 AddExpression::AddExpression(Expression* oper1, Expression* oper2) {
22 _oper1 = oper1;
23 _oper2 = oper2;
24 }
25
26 void AddExpression::eval(stringstream& ss) {
27 stringstream t_str;
28 _oper1->eval(t_str);
29 _oper2->eval(t_str);
30 ss << t_str.str();
31 }
32 // ... AddExpression END ...
33
34 // ... ReverseExpression BEGIN ...
35 ReverseExpression::ReverseExpression(Expression* o) {
36 _oper = o;
37 }
38
39 void ReverseExpression::eval(stringstream& ss) {
40 stringstream t_str;
41 _oper->eval(t_str);
42 string str = t_str.str();
43 reverse(str.begin(), str.end());
44 ss << str;
45 }
46 // ... ReverseExpression END ...
47
48 // ... Constant BEGIN ...
49 Constant::Constant(const char* str) {
50 _mStr = string(str);
51 }
52
53 Constant::Constant(const char* str, int len) {
54 _mStr = string(str, len);
55 }
56
57 void Constant::eval(stringstream& ss) {
58 ss << _mStr;
59 }
60 // ... Constant END ...
到了这里，我们如果想生成一个字符画: "~~o>_<o~~"，可以这么做：
1 stringstream ss;
2
3 Expression* e1 = new RepeatExpression(new Constant("~"), 2);
4 Expression* e2 = new AddExpression(e1, new Constant("o>"));
5 Expression* e3 = new AddExpression(e2, new Constant("_"));
6 Expression* result = new AddExpression(e3, new ReverseExpression(e2));
7
8 result->eval(ss);
9 cout << ss.str() << endl;
其实解释器模式部分的编程已经结束了。但显然这个并没有达到前言中翻译那串莫名字符串的目的。为此，我们还需在此基础上，定义一些语法，写一个语法分析器来将那串字符构建成抽象语法树。这里，我就偷懒了，写了个非常简单，没有什么优化的语法分析器：
// 定义的一些符号含义：
// [] ---- 字符集
// () ---- 分组
// @N ---- 取字符集中第N个字符(N从0开始)
// *N ---- *前面的表达式重复N次
// $N ---- 取第N个分组(N从0开始，分组由括号顺序确定，嵌套的括号以从里到外的规则递增)// + ---- 加号两边的表达式拼接
// ^ ---- ^前面的表达式逆序
// _N ---- 拼接N个空格
// / ---- 拼接一个换行符
具体代码如下：
1 #ifndef TRANSLATOR_H_INCLUDED
2 #define TRANSLATOR_H_INCLUDED
3
4 #include <string>
5 #include <vector>
6 using namespace std;
7
8 class Expression;
9
10 class Translator {
11 public:
12 Translator();
13 ~Translator();
14 Expression* translate(string& str);
15
16 private:
17 Expression* translateExp(string& str);
18 char* _mCharSet;
19 vector<Expression*> _mExpGroup;
20 };
21
22 #endif // TRANSLATOR_H_INCLUDED
1 #include "Translator.h"
2 #include "expression.h"
3 #include <cstring>
4 #include <cstdlib>
5 using namespace std;
6
7 Translator::Translator() {
8 _mCharSet = 0;
9 }
10
11 Translator::~Translator() {
12 if (_mCharSet) delete[] _mCharSet;
13 }
14
15 Expression* Translator::translate(string& str) {
16 Expression* result = 0;
17 for(unsigned int i = 0; i < str.size(); i++ ) {
18 if (str.at(i) == '[') {
19 int sEnd = str.find_last_of("]");
20 int sLen = sEnd - i - 1;
21 if (_mCharSet) delete[] _mCharSet;
22 _mCharSet = new char[sLen];
23 strcpy(_mCharSet, str.substr(i+1, sLen).data());
24 i = sEnd;
25 } else if (str.at(i) == '@') {
26 int sChar = atoi(str.substr(i + 1, 1).c_str());
27 Expression* tmp = new Constant(&_mCharSet[sChar], 1);
28 result = tmp;
29 i = i + 1;
30 } else if (str.at(i) == '(') {
31 int pos = i + 1;
32 int left = 0;
33 for (;pos < str.size(); pos++) {
34 if (str.at(pos) == ')') {
35 if (left == 0)
36 break;
37 else
38 left--;
39 }
40 if (str.at(pos) == '(')
41 left++;
42 }
43 string t_str = str.substr(i + 1, pos - i - 1);
44 Expression* tmp = translate(t_str);
45 _mExpGroup.push_back(tmp);
46 result = tmp;
47 i = pos;
48 } else if (str.at(i) == '+') {
49 string t_str = str.substr(i + 1);
50 result = new AddExpression(result, translate(t_str));
51 break;
52 } else if (str.at(i) == '*') {
53 int pos = i+1;
54 for (;pos < str.size();pos++) {
55 if (str.at(pos) > '9' || str.at(pos) < '0') break;
56 }
57 pos--;
58 int sRep = atoi(str.substr(i + 1, pos - i).c_str());
59 Expression* tmp = new RepeatExpression(result, sRep);
60 result = tmp;
61 i = pos;
62 } else if (str.at(i) == '^') {
63 Expression* tmp = new ReverseExpression(result);
64 result = tmp;
65 } else if (str.at(i) == '$') {
66 int pos = i+1;
67 for (;pos < str.size();pos++) {
68 if (str.at(pos) > '9' || str.at(pos) < '0') break;
69 }
70 pos--;
71 int nGroup = atoi(str.substr(i + 1, pos - i).c_str());
72 if (nGroup >= _mExpGroup.size()) return 0;
73 result = _mExpGroup[nGroup];
74 i = pos;
75 } else if (str.at(i) == '/') {
76 string t_str = str.substr(i + 1);
77 Expression* tmp = new Constant("\n");
78 if (!result) {
79 result = new AddExpression(tmp, translate(t_str));
80 }
81 else {
82 result = new AddExpression(new AddExpression(result, tmp), translate(t_str));
83 }
84 break;
85 } else if (str.at(i) == '_') {
86 int pos = i+1;
87 for (;pos < str.size();pos++) {
88 if (str.at(pos) > '9' || str.at(pos) < '0') break;
89 }
90 pos--;
91 int sRep = (pos == i) ? 1 : atoi(str.substr(i + 1, pos - i).c_str());
92 string t_str = str.substr(pos + 1);
93 Expression* tmp = new RepeatExpression(new Constant(" "), sRep);
94 if (!result) {
95 result = new AddExpression(tmp, translate(t_str));
96 }
97 else {
98 result = new AddExpression(new AddExpression(result, tmp), translate(t_str));
99 }
100 break;
101 }
102 }
103 return result;
104 }
再次强调，这个语法分析器，并不是解释器模式所讲的内容。好了，写个简单的main函数就可以运行了：
1 #include <iostream>
2 #include "expression.h"
3 #include "Translator.h"
4
5 using namespace std;
6
7 int main()
8 {
9 cout << "Input your command below: " << endl;
10 string str;
11 getline(cin, str);
12 Translator translator;
13
14 // ... Generate the Abstract Grammar Tree by Translator
15 Expression* myExp = translator.translate(str);
16 if (!myExp) return 1;
17
18 // ... Call Its Interpret Operation
19 stringstream ss;
20 myExp->eval(ss);
21
22 cout << ss.str() << endl;
23 return 0;
24 }
那么我们输入之前第二串字符试试：
*****
**
** ****** **** **** *****
** ** ** ** ** ** **
** ** ** ** ** ********
## # ## ## ## ## ##
## # ## ## ### ## ##
####### ##### ## ######
MM表示很开心。对于这个示例的UML图：
![[设计模式]解释器(Interpreter)之大胆向MM示爱吧](https://image.shishitao.com:8440/aHR0cHM6Ly93d3cuaXRkYWFuLmNvbS9pbWdzLzkvNy81LzMvOC8wZGU5MjM4MGYyMGVlMGQyNDUxYjhlOTM1MDI4NjNlOC5qcGU%3D.jpe?w=700 "[设计模式]解释器(Interpreter)之大胆向MM示爱吧")
特点总结
我们可以看到，Interpreter解释器模式有以下优点和缺点：
- 易于改变和扩展文法。因为该模式使用类来表示文法规则，我们可以使用继承来改变或扩展该文法。多加一种文法就新增一个类。
- 也易于实现文法。定义抽象语法树中各个节点的类的实现大体类似。通常它们也可用一个编译器或语法分析程序生成器自动生成。
- 复杂的文法难以维护。解释器模式为文法中的每一条规则至少定义了一个类，因此包含许多规则的文法可能难以管理和维护。
同时我们可以看到，它和其他设计模式：Composite（组合）模式有着许多相通的地方。具体可以参见之前的笔记。
写在最后
今天的笔记就到这里了，欢迎大家批评指正！如果觉得可以的话，好文推荐一下，我会非常感谢的！