设计模式的征途—23.解释器（Interpreter）模式
虽然目前计算机编程语言有好几百种，但有时人们还是希望用一些简单的语言来实现特定的操作，只需要向计算机输入一个句子或文件，就能按照预定的文法规则来对句子或文件进行解释。例如，我们想要只输入一个加法/减法表达式，它就能够计算出表达式结果。例如输入“1+2+3-4+1”时，将输出计算结果为3。像C++，Java或C#都无法直接解释类似这样的字符串，因此用户必须自定义一套文法规则来实现对这些语句的解释，即设计一个自定义语言。如果所基于的编程语言是面向对象语言，此时可以使用解释器模式实现自定义语言。
虽然目前计算机编程语言有好几百种，但有时人们还是希望用一些简单的语言来实现特定的操作，只需要向计算机输入一个句子或文件，就能按照预定的文法规则来对句子或文件进行解释。例如，我们想要只输入一个加法/减法表达式，它就能够计算出表达式结果。例如输入“1+2+3-4+1”时，将输出计算结果为3。像C++，Java或C#都无法直接解释类似这样的字符串，因此用户必须自定义一套文法规则来实现对这些语句的解释，即设计一个自定义语言。如果所基于的编程语言是面向对象语言，此时可以使用解释器模式实现自定义语言。
| 解释器模式（Interpreter） | 学习难度：★★★★★ | 使用频率：★☆☆☆☆ |
一、格式化指令的需求背景
Background：M公司开发了一套简单的基于字符界面的格式化指令，可以根据输入的指令在字符界面输出一些格式化内容，例如输入“LOOP 2 PRINT 杨过 SPACE SPACE PRINT 小龙女 BREAK END PRINT 郭靖 SPACE SPACE PRINT 黄蓉”，将输出以下结果：
其中，关键词LOOP表示循环，后面的数字表示循环次数；PRINT表示打印，后面的字符串表示打印的内容；SPACE表示空格；BREAK表示换行；END表示循环结束。每一个关键词对应一条指令，计算机程序将根据关键词执行相应的处理操作。
M公司的开发人员分析之后，根据格式化指令中句子的组成，定义了如下文法规则：
expression ::= command* // 表达式，一个表达式包含多条指令
command ::= loop | primitive // 语句指令
loop ::= 'loop number' expression 'end' // 循环指令，其中number为自然数
primitive ::= 'print string' | 'space' | 'byeak' // 基本指令，其中string为字符串
二、解释器模式概述
2.1 解释器模式简介
解释器模式是一种使用频率相对较低但学习难度较大的设计模式，它主要用于描述如何使用面向对象语言构成一个简单的语言解释器。
解释器（Interpreter）模式：定义一个语言的文法，并且建立一个解释器来解释该语言中的句子，这里的“语言”是指使用规定格式和语法的代码。解释器模式是一种行为型模式。
2.2 解释器模式结构
解释器模式主要包含以下4个角色：
（1）AbstractExpression（抽象表达式）：声明了抽象的解释操作；
（2）TerminalExpression（终结符表达式）：抽象表达式的子类，实现了与文法中的终结符相关联的解释操作，在句中的每一个终结符都是该类的一个实例；
（3）NonterminalExpression（非终结符表达式）：抽象表达式的子类，实现了文法中非终结符的解释操作，由于在非终结符表达式中可以包含终结符表达式，也可以继续包含非终结符表达式，因此其解释操作一般通过递归完成。
（4）Context（环境类）：又称为上下文类，用于存储解释器之外的一些全局信息，通常它临时存储了需要解释的语句。
三、格式化指令的具体实现
3.1 设计结构
M公司根据文法规则，通过进一步分析，结合解释器模式绘制了如下图所示的结构图：
其中，Context充当环境类角色，Node充当抽象表达式角色，ExpressionNode、CommandNode和LoopCommandNode充当非终结符表达式角色，PrimitiveCommandNode充当终结符表达式角色。
3.2 代码实现
（1）环境类：Context
/// <summary> /// 环境类：用于存储和操作需要解释的语句， /// 在本实例中每一个需要解释的单词都可以称为一个动作标记（ActionToker）或命令 /// </summary> public class Context { private int index = -1; private string[] tokens; private string currentToken; public Context(string text) { text = text.Replace(" ", " "); tokens = text.Split(' '); NextToken(); } // 获取下一个标记 public string NextToken() { if (index < tokens.Length - 1) { currentToken = tokens[++index]; } else { currentToken = null; } return currentToken; } // 返回当前的标记 public string GetCurrentToken() { return currentToken; } // 跳过一个标记 public void SkipToken(string token) { if (!token.Equals(currentToken, StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.WriteLine("错误提示：{0} 解释错误！", currentToken); } NextToken(); } // 如果当前的标记是一个数字，则返回对应的数值 public int GetCurrentNumber() { int number = 0; try { // 将字符串转换为整数 number = Convert.ToInt32(currentToken); } catch (Exception ex) { Console.WriteLine("错误提示：{0}", ex.Message); } return number; } }
（2）抽象表达式：Node
/// <summary> /// 抽象表达式：抽象节点类 /// </summary> public abstract class Node { // 声明一个方法用于解释语句 public abstract void Interpret(Context context); // 声明一个方法用于执行标记对应的命令 public abstract void Execute(); }
（3）非终结符表达式：ExpressionNode、CommandNode和LoopCommandNode
/// <summary> /// 非终结符表达式：表达式节点类 /// </summary> public class ExpressionNode : Node { // 用于存储多条命令的集合 private IList<Node> nodeList = new List<Node>(); public override void Interpret(Context context) { // 循环处理Context中的标记 while (true) { // 如果已经没有任何标记，则退出解释 if (context.GetCurrentToken() == null) { break; } // 如果标记为END，则不解释END并结束本次解释过程，可以继续之后的解释 else if (context.GetCurrentToken().Equals("END", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { context.SkipToken("END"); break; } // 如果为其它标记，则解释标记并加入命令集合 else { Node node = new CommandNode(); node.Interpret(context); nodeList.Add(node); } } } // 循环执行命令集合中的每一条指令 public override void Execute() { foreach (var node in nodeList) { node.Execute(); } } } /// <summary> /// 非终结符表达式：语句命令节点类 /// </summary> public class CommandNode : Node { private Node node; public override void Interpret(Context context) { // 处理LOOP指令 if (context.GetCurrentToken().Equals("LOOP", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { node = new LoopCommand(); node.Interpret(context); } // 处理其他指令 else { node = new PrimitiveCommand(); node.Interpret(context); } } public override void Execute() { node.Execute(); } } /// <summary> /// 非终结符表达式：循环命令类 /// </summary> public class LoopCommand : Node { // 循环次数 private int number; // 循环语句中的表达式 private Node commandNode; public override void Interpret(Context context) { context.SkipToken("LOOP"); number = context.GetCurrentNumber(); context.NextToken(); // 循环语句中的表达式 commandNode = new ExpressionNode(); commandNode.Interpret(context); } public override void Execute() { for (int i = 0; i < number; i++) { commandNode.Execute(); } } }
（4）终结符表达式：PrimitiveCommandNode
/// <summary> /// 终结符表达式：基本命令类 /// </summary> public class PrimitiveCommand : Node { private string name; private string text; public override void Interpret(Context context) { name = context.GetCurrentToken(); context.SkipToken(name); if (!name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase) && !name.Equals("BREAK", StringComparison.OrdinalIgnoreCase) && !name.Equals("SPACE", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.WriteLine("非法命令！"); } if (name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { text = context.GetCurrentToken(); context.NextToken(); } } public override void Execute() { if (name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.Write(text); } else if (name.Equals("SPACE", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.Write(" "); } else if (name.Equals("BREAK", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.Write("\r\n"); } } }
（5）客户端测试：
public class Program { public static void Main(string[] args) { string instruction = "LOOP 2 PRINT 杨过 SPACE SPACE PRINT 小龙女 BREAK END PRINT 郭靖 SPACE SPACE PRINT 黄蓉"; Context context = new Context(instruction); Node node = new ExpressionNode(); node.Interpret(context); Console.WriteLine("源指令 : {0}", instruction); Console.WriteLine("解释后 : "); node.Execute(); Console.ReadKey(); } }
编译调试后运行结果如下图所示：
四、解释器模式小结
4.1 主要优点
（1）易于改变和扩展文法 => 通过继承来改变或扩展
（2）增加新的解释表达式较为方便 => 只需对应新增一个新的终结符或非终结符表达式，原有代码无须修改，符合开闭原则！
4.2 主要缺点
（1）对于复杂文法难以维护 => 一条规则一个类，如果太多文法规则，类的个数会剧增！
（2）执行效率较低 => 使用了大量循环和递归，在解释复杂句子时速度很慢！
4.3 应用场景
（1）可以将一个需要解释执行的语言中的句子表示为一个抽象语法树
（2）一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来进行表达
（3）一个语言的文法较为简单
（4）执行效率不是关键问题 => 高效的解释器通常不是通过直接解释抽象语法树来实现的
参考资料
（1）刘伟，《设计模式的艺术—软件开发人员内功修炼之道》
