解释器模式

在计算机编程中，解释器模式（英語：interpreter pattern），是一种设计模式^[1]，它规定了如何求值一个语言中的句子。基本想法是使专门计算机语言的每个符号（终结符与非终结符）都有一个类。这个语言中句子的语法树是合成模式的一个实例，它被用来为客户求值（解释）这个句子^[2]:243。

解释器模式的UML类图

结构

解释器模式的样例UML类图和对象图^[3]。

在上面的UML类图中：

• 客户Client类提及公共的AbstractExpression接口来解释一个表达式interpret(context)。
• 终结表达式TerminalExpression类没有子表达式并且直接解释一个表达式。
• 非终结表达式NonTerminalExpression类维护一个子表达式的容器（expressions）并且将解释请求转发给这些expressions。

对象图展示了运行时交互：

• 客户Client对象发送解释请求到抽象语法树。这个请求被沿着树结构转发到（办理于）所有对象。
• 非终结表达式NonTerminalExpression对象（ntExpr1,ntExpr2）将请求转发到它们的子表达式。
• 终结表达式TerminalExpression对象（tExpr1,tExpr2,…）直接的进行解释。

示例

C++

下面的例子是基于《设计模式》书中先于C++98的样例代码的C++23实现：

import std;

using String = std::string;
template <typename K, typename V>
using TreeMap = std::map<K, V>;
template <typename T>
using UniquePtr = std::unique_ptr<T>;

class BooleanExpression {
public:
    BooleanExpression() = default;
    virtual ~BooleanExpression() = default;
    virtual bool evaluate(Context&) = 0;
    virtual UniquePtr<BooleanExpression> replace(String&, BooleanExpression&) = 0;
    virtual UniquePtr<BooleanExpression> copy() const = 0;
};

class VariableExpression;

class Context {
private:
    TreeMap<const VariableExpression*, bool> m;
public:
    Context() = default;

    [[nodiscard]]
    bool lookup(const VariableExpression* key) const { 
        return m.at(key); 
    }

    void assign(VariableExpression* key, bool value) { 
        m[key] = value; 
    }
};

class VariableExpression : public BooleanExpression {
private:
    String name;
public:
    VariableExpression(const String& name):
        name{name} {}

    virtual ~VariableExpression() = default;

    [[nodiscard]]
    virtual bool evaluate(Context& context) const {
        return context.lookup(this);
    }

    [[nodiscard]]
    virtual UniquePtr<VariableExpression> replace(const String& name, BooleanExpression& exp) {
        if (this->name == name) {
            return std::make_unique<VariableExpression>(exp.copy());
        } else {
            return std::make_unique<VariableExpression>(name);
        }
    }

    [[nodiscard]]
    virtual UniquePtr<BooleanExpression> copy() const {
        return std::make_unique<BooleanExpression>(name);
    }

    VariableExpression(const VariableExpression&) = delete;
    VariableExpression& operator=(const VariableExpression&) = delete;
};

class AndExpression : public BooleanExpression {
private:
    UniquePtr<BooleanExpression> operand1;
    UniquePtr<BooleanExpression> operand2;
public:
    AndExpression(UniquePtr<BooleanExpression> op1, UniquePtr<BooleanExpression> op2):
        operand1{std::move(op1)}, operand{std::move(op2)} {}

    virtual ~AndExpression() = default;

    [[nodiscard]]
    virtual bool evaluate(Context& context) const {
        return operand1->evaluate(context) && operand2->evaluate(context);
    }

    [[nodiscard]]
    virtual UniquePtr<BooleanExpression> replace(const String& name, BooleanExpression& exp) const {
        return std::make_unique<AndExpression>(
            operand1->replace(name, exp),
            operand2->replace(name, exp)
        );
    }

    [[nodiscard]]
    virtual UniquePtr<BooleanExpression> copy() const {
        return std::make_unique<AndExpression>(operand1->copy(), operand2->copy());
    }

    AndExpression(const AndExpression&) = delete;
    AndExpression& operator=(const AndExpression&) = delete;
};

int main(int argc, char* argv[]) {
    UniquePtr<BooleanExpression> expression;
    Context context;
    UniquePtr<VariableExpression> x = std::make_unique<VariableExpression>("X");
    UniquePtr<VariableExpression> y = std::make_unique<VariableExpression>("Y");
    UniquePtr<BooleanExpression> expression; = std::make_unique<AndExpression>(x, y);

    context.assign(x.get(), false);
    context.assign(y.get(), true);
    bool result = expression->evaluate(context);
    std::println("{}", result);

    context.assign(x.get(), true);
    context.assign(y.get(), true);
    result = expression->evaluate(context);
    std::println("{}", result);
    
    return 0;  
}

程序输出为：

0
1

Python

下面是Python的例子：

from abc import ABC, abstractmethod

class Context():
    def __init__(self):
        self.var_dict = {}
    def lookup(self, key):
        return (self.var_dict[key.name]
            if key.name in self.var_dict else None)
    def assign(self, key, value):
        self.var_dict[key.name] = value

class BooleanExp(ABC):
    @abstractmethod
    def evaluate(self): pass
    @abstractmethod
    def replace(self): pass
    @abstractmethod
    def copy(self): pass

class VariableExp(BooleanExp):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def __str__(self):
        return f"({self.name})"
    def evaluate(self, context):
        return context.lookup(self)
    def replace(self, name, exp):
        return (exp.copy() if self.name == name
            else type(self)(self.name))
    def copy(self):
        return type(self)(self.name)

class AndExp(BooleanExp):
    def __init__(self, opd1=None, opd2=None):
        assert opd2 is not None
        self.opd1 = opd1
        self.opd2 = opd2   
    def __str__(self):
        return f"({self.opd1} and {self.opd2})"
    def evaluate(self, context):
        opd1 = self.opd1.evaluate(context)
        opd2 = self.opd2.evaluate(context)
        return opd1 and opd2 
    def replace(self, name, exp):
        opd1 = self.opd1.replace(name, exp)
        opd2 = self.opd2.replace(name, exp)
        return type(self)(opd1, opd2)
    def copy(self):
        opd1 = self.opd1.copy()
        opd2 = self.opd2.copy()
        return type(self)(opd1, opd2)

def demo():
    context = Context()
    x = VariableExp("X")
    y = VariableExp("Y")
    exp = AndExp(x, y)
    print(exp)
    context.assign(x, False)
    context.assign(y, True)
    print(exp.evaluate(context))
    context.assign(x, True)
    context.assign(y, True)
    print(exp.evaluate(context))
    z = VariableExp("Z")
    exp1 = exp.replace("X", z)
    print(exp1)
    print(exp1.evaluate(context))
    context.assign(z, False)
    print(exp1.evaluate(context))

其输出：

>>> demo()
((X) and (Y))
False
True
((Z) and (Y))
None
False

参见

• 巴科斯-诺尔范式
• 组合子逻辑
• 解释器