# 解释器模式 ## 介绍 解释器模式(Interpreter Pattern)是一种行为型设计模式,它能够对语言中的语法或表达式进行解释,并定义语言的文法表示。 它的主要作用是: - 定义语言的文法表示 - 解释该语言中的句子 在解释器模式中,通常包含以下主要角色: - AbstractExpression(抽象表达式):声明解释器的接口,为所有的终结符声明一个解释操作。 - TerminalExpression(终结符表达式):实现与文法中的每个终结符相关的解释操作。 - NonterminalExpression(非终结符表达式):为文法中的每一条规则实现解释操作。 - Context(上下文):包含解释器之外的一些全局信息。 - Client(客户):构建表示文法所需的抽象语法树,并调用解释操作。 客户可以根据需要引入不同的规则,使用解释器模式可以避免对语法的编码。解释器模式常用于SQL解析、符号处理引擎等需要对表达式语法进行解释的场景。 比如抽象语法树、编译器、表达式计算等都大量运用了解释器模式,它是实现多种复杂语法解析的简洁高效方式。 ## 定义 我们需要开发一个简单的表达式计算程序,支持加减乘除四种算术运算,以及括号内的优先运算。 需求如下: 1. 程序需要解析输入的算术表达式字符串,识别其中的数字、运算符、括号等组成部分 2. 表达式中允许使用的运算符为:+ - * / ,对应的优先级依次降低 3. 括号内表达式需要优先计算,遵循合理的括号匹配规则 4. 需要正确解析表达式,构建抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST) 5. 程序根据构建的AST计算表达式的值,并输出结果 6. 需要能够处理错误情况,如非法表达式、缺少操作数等,并给出提示信息 7. 需要提供简单的API或接口,外部程序可以通过该接口传入表达式并获取计算结果 以上是该表达式解释器和计算程序的主要需求。用户输入算术表达式字符串,程序内部需要解析表达式语法,转换为抽象语法树,然后进行运算求值,最后返回结果。需要能够正确处理运算符优先级和括号,并解析报错情况。 AST 节点定义 ```cpp // Token types enum TokenType { NUMBER, OP_ADD, OP_SUB, OP_MUL, OP_DIV, LPAREN, RPAREN }; // Token struct struct Token { TokenType type; string value; }; // Expression AST node struct ASTNode { TokenType op; double num; ASTNode* left; ASTNode* right; ASTNode(TokenType op, double num) : op(op), num(num), left(nullptr), right(nullptr) {} ASTNode(TokenType op, ASTNode* left, ASTNode* right) : op(op), left(left), right(right) {} }; ``` 解析表达式 生成toke ```cpp // Parse input expression into tokens vector tokenize(const string& input) { vector result; stack op_stack; for(int i = 0; i < input.size(); i++) { char c = input[i]; // 处理数字 if(isdigit(c)) { double num = 0; while(i < input.size() && isdigit(input[i])) { num = num * 10 + (input[i] - '0'); i++; } i--; // 添加数字token result.push_back({NUMBER, to_string(num)}); // 将op_stack中的所有运算符弹出生成token while(!op_stack.empty()) { char op = op_stack.top(); op_stack.pop(); if(op == '+') { result.push_back({OP_ADD, "+"}); } else if(op == '-') { result.push_back({OP_SUB, "-"}); } else if(op == '*') { result.push_back({OP_MUL, "*"}); } else if(op == '/') { result.push_back({OP_DIV, "/"}); } } } // 处理加减乘除运算符 else if(c == '+' || c == '-' || c == '*' || c == '/') { op_stack.push(c); } // 遇到左括号清空运算符栈 else if(c == '(') { op_stack = stack(); } // 右括号将栈内所有运算符弹出生成token else if(c == ')') { while(!op_stack.empty()) { char op = op_stack.top(); op_stack.pop(); if(op == '+') { result.push_back({OP_ADD, "+"}); } else if(op == '-') { result.push_back({OP_SUB, "-"}); } else if(op == '*') { result.push_back({OP_MUL, "*"}); } else if(op == '/') { result.push_back({OP_DIV, "/"}); } } } } return result; } // Build ``` 根据token 生产 AST ```cpp // Build AST from tokens ASTNode* buildAST(const vector& tokens) { stack s; for (auto t : tokens) { if (t.type == NUMBER) { s.push(new ASTNode(t.type, stod(t.value))); } else if (t.type == OP_ADD || t.type == OP_SUB || t.type == OP_MUL || t.type == OP_DIV) { ASTNode* right = s.top(); s.pop(); ASTNode* left = s.top(); s.pop(); s.push(new ASTNode(t.type, left, right)); } else if (t.type == RPAREN) { ASTNode* node = s.top(); s.pop(); while (s.top()->op != LPAREN) { ASTNode* left = s.top(); s.pop(); node = new ASTNode(s.top()->op, left, node); s.pop(); } s.pop(); // Pop LPAREN s.push(node); } else { s.push(new ASTNode(t.type, 0)); // LPAREN } } return s.top(); } ``` 计算节点 ```cpp // Evaluate the AST double eval(ASTNode* node) { if (node->op == NUMBER) return node->num; if (node->op == OP_ADD) return eval(node->left) + eval(node->right); if (node->op == OP_SUB) return eval(node->left) - eval(node->right); if (node->op == OP_MUL) return eval(node->left) * eval(node->right); if (node->op == OP_DIV) return eval(node->left) / eval(node->right); return 0; // Won't reach here } ``` ## 调用 ```cpp int main() { string input; cout << "Enter an expression: "; // input = "1 + 1"; getline(cin, input); vector tokens = tokenize(input); ASTNode* ast = buildAST(tokens); double result = eval(ast); cout << "Result: " << result << endl; return 0; } ``` ## 效果 ```cpp ./bin/design/interpreter Enter an expression: 1+1 Result: 2 ./bin/design/interpreter Enter an expression: 1+1/2 Result: 1 ./bin/design/interpreter Enter an expression: 1+(1/2) Result: 0.5 ``` ## 回顾 解释器模式为某个语言定义它的语法（或者叫文法）表示，并定义一个解释器用来处理这个语法。实际上，这里的“语言”不仅仅指我们平时说的中、英、日、法等各种语言。从广义上来讲，只要是能承载信息的载体，我们都可以称之为“语言”，比如，古代的结绳记事、盲文、哑语、摩斯密码等。 要想了解“语言”要表达的信息，我们就必须定义相应的语法规则。这样，书写者就可以根据语法规则来书写“句子”（专业点的叫法应该是“表达式”），阅读者根据语法规则来阅读“句子”，这样才能做到信息的正确传递。而我们要讲的解释器模式，其实就是用来实现根据语法规则解读“句子”的解释器。