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解释器模式

发表于 更新于 Valine：

在软件开发中，会遇到有些问题多次重复出现，而且有一定的相似性和规律性。如果将它们归纳成一种简单的语言，那么这些问题实例将是该语言的一些句子，这样就可以用“编译原理”中的解释器模式来实现了。

虽然使用解释器模式的实例不是很多，但对于满足以上特点，且对运行效率要求不是很高的应用实例，如果用解释器模式来实现，其效果是非常好的，本文将介绍其工作原理与使用方法。

解释器（Interpreter）模式的定义：给分析对象定义一个语言，并定义该语言的文法表示，再设计一个解析器来解释语言中的句子。也就是说，用编译语言的方式来分析应用中的实例。这种模式实现了文法表达式处理的接口，该接口解释一个特定的上下文。

这里提到的文法和句子的概念同编译原理中的描述相同，“文法”指语言的语法规则，而“句子”是语言集中的元素。例如，汉语中的句子有很多，“我是中国人”是其中的一个句子，可以用一棵语法树来直观地描述语言中的句子。

解释器模式是一种类行为型模式，其主要优点如下：

  • 扩展性好：由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则，因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。
  • 容易实现：在语法树中的每个表达式节点类都是相似的，所以实现其文法较为容易。

解释器模式的主要缺点如下：

  • 执行效率较低：解释器模式中通常使用大量的循环和递归调用，当要解释的句子较复杂时，其运行速度很慢，且代码的调试过程也比较麻烦。
  • 会引起类膨胀：解释器模式中的每条规则至少需要定义一个类，当包含的文法规则很多时，类的个数将急剧增加，导致系统难以管理与维护。
  • 可应用的场景比较少：在软件开发中，需要定义语言文法的应用实例非常少，所以这种模式很少被使用到。

解释器模式常用于对简单语言的编译或分析实例中，为了掌握好它的结构与实现，必须先了解编译原理中的“文法、句子、语法树”等相关概念。

文法：文法是用于描述语言的语法结构的形式规则。没有规矩不成方圆，任何事情都要有规则，语言也一样，不管它是机器语言还是自然语言，都有它自己的文法规则。例如，中文中的“句子”的文法如下：

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〈句子〉::=〈主语〉〈谓语〉〈宾语〉
〈主语〉::=〈代词〉|〈名词〉
〈谓语〉::=〈动词〉
〈宾语〉::=〈代词〉|〈名词〉
〈代词〉你|我|他
〈名词〉7大学生I筱霞I英语
〈动词〉::=是|学习

注：这里的符号“::=”表示“定义为”的意思，用“〈”和“〉”括住的是非终结符，没有括住的是终结符。

句子：句子是语言的基本单位，是语言集中的一个元素，它由终结符构成，能由“文法”推导出。例如，上述文法可以推出“我是大学生”，所以它是句子。

语法树：语法树是句子结构的一种树型表示，它代表了句子的推导结果，它有利于理解句子语法结构的层次。下图所示是“我是大学生”的语法树：

有了以上基础知识，现在来介绍解释器模式的结构就简单了。解释器模式的结构与组合模式相似，不过其包含的组成元素比组合模式多，而且组合模式是对象结构型模式，而解释器模式是类行为型模式。

模式的结构#

解释器模式包含以下主要角色：

  • 抽象表达式（Abstract Expression）角色：定义解释器的接口，约定解释器的解释操作，主要包含解释方法 Interpret()。
  • 终结符表达式（Terminal Expression）角色：是抽象表达式的子类，用来实现文法中与终结符相关的操作，文法中的每一个终结符都有一个具体终结表达式与之相对应。
  • 非终结符表达式（Nonterminal Expression）角色：也是抽象表达式的子类，用来实现文法中与非终结符相关的操作，文法中的每条规则都对应于一个非终结符表达式。
  • 环境（Context）角色：通常包含各个解释器需要的数据或是公共的功能，一般用来传递被所有解释器共享的数据，后面的解释器可以从这里获取这些值。
  • 客户端（Client）：主要任务是将需要分析的句子或表达式转换成使用解释器对象描述的抽象语法树，然后调用解释器的解释方法，当然也可以通过环境角色间接访问解释器的解释方法。

解释器模式的结构图如图所示：

模式的实现#

解释器模式实现的关键是定义文法规则、设计终结符类与非终结符类、画出结构图，必要时构建语法树，其代码结构如下：

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public interface IAbstractExpression
{
    Object Interpret(String info);    
}


public class TerminalExpression : IAbstractExpression
{
    public Object Interpret(String info)
    {
        
    }
}


public class NonterminalExpression : IAbstractExpression
{
    private IAbstractExpression exp1;
    private IAbstractExpression exp2;
    public Object Interpret(String info)
    {
        
    }
}


public class Context
{
    private IAbstractExpression exp;
    public Context()
    {
        
    }
    public void Operation(String info)
    {
        
    }
}

前面介绍了解释器模式的结构与特点，下面分析它的应用场景：

  • 当语言的文法较为简单，且执行效率不是关键问题时。
  • 当问题重复出现，且可以用一种简单的语言来进行表达时。
  • 当一个语言需要解释执行，并且语言中的句子可以表示为一个抽象语法树的时候，如 XML 文档解释。

注意：解释器模式在实际的软件开发中使用比较少，因为它会引起效率、性能以及维护等问题。如果碰到对表达式的解释，在 C# 中可以用 Expression类 或 Flee 等来设计。

在项目开发中，如果要对数据表达式进行分析与计算，无须再用解释器模式进行设计了，C# 提供了 Expression 表达式树，也可以使用 Flee 等开源类库，它们可以解释一些复杂的文法，功能强大，使用简单。

Flee是.NET框架的表达式解析器和评估器，它使用自定义编译器，强类型表达式语言和轻量级代码生成器将表达式直接编译为IL。
github链接：Flee
使用说明：https://github.com/mparlak/Flee/wiki

使用NuGet安装Flee，创建和评估表达式的示例代码如下：

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CultureInfo ci = new CultureInfo("fr-FR");            

ExpressionContext context = new ExpressionContext();
context.ParseCulture = ci
context.Imports.AddType(typeof(Math));
            

IDynamicExpression e = context.CompileDynamic("round(100,75; 1)");
object result = e.Evaluate();