解釋器模式

引子：你不懂老闆的心#

老闆難得找小菜談話，誇獎了一句「在公司表現格外出色，要繼續好好努力」，又評價同事梅星是個「普通員工」。

大鳥揭密職場潛台詞：
老闆私下大誇某員工 → 多半意味著「最近有更多的任務需要你完成」
老闆說某員工「普通」→ 其實是說這員工不夠聰明、能力不足
「要是有一個翻譯機或解釋器就好了」——這正好對應解釋器模式。

解釋器模式#

解釋器模式（Interpreter Pattern）：給定一個語言，定義它的文法的一種表示，並定義一個解釋器，這個解釋器使用該表示來解釋語言中的句子。[DP]

何時使用：

一種特定類型的問題發生頻率足夠高，值得將該問題的各個實例表述為一個簡單語言中的句子
構建一個解釋器，透過解釋這些句子來解決該問題[DP]

經典應用：
正規表達式（Regular Expression）：與其為每個比對需求都寫一個演算法函式，不如使用通用的正規表達式來解釋執行
瀏覽器：解釋 HTML 文法，把標記轉成網頁
機器人控制：用「向前走 10 步、左轉 90 度」這樣的語言取代呼叫具體方法

結構#

AbstractExpression（抽象表達式）：宣告一個抽象的解釋操作
TerminalExpression（終結符表達式）：實作與文法中終結符相關聯的解釋操作；文法中每個終結符都有一個對應的具體終結表達式
NonterminalExpression（非終結符表達式）：為文法中的非終結符實作解釋操作；遞迴呼叫各符號的實例變數
Context：包含解釋器之外的一些全域資訊

classDiagram
    class Client
    class Context
    class AbstractExpression {
        <<abstract>>
        +Interpret(Context)*
    }
    class TerminalExpression
    class NonterminalExpression
    Client --> AbstractExpression
    Client --> Context
    AbstractExpression <|-- TerminalExpression
    AbstractExpression <|-- NonterminalExpression
    NonterminalExpression o--> AbstractExpression

abstract class AbstractExpression
{
    public abstract void Interpret(Context context);
}

class TerminalExpression : AbstractExpression { /* ... */ }
class NonterminalExpression : AbstractExpression { /* ... */ }

範例：迷你音樂解釋器#

模擬 QBASIC 的 PLAY 語句。文法規則：

O 表示音階：O 1 低音、O 2 中音、O 3 高音
P 表示休止符
C D E F G A B 表示 Do-Re-Mi-Fa-So-La-Ti
數字表示節拍（1 = 一拍、0.5 = 半拍……）
所有字母與數字都用半角空格分開

例如「上海灘」第一句「浪奔」可寫成：O 2 E 0.5 G 0.5 A 3。

演奏內容（Context）#

class PlayContext
{
    public string PlayText { get; set; }
}

抽象表達式#

abstract class Expression
{
    public void Interpret(PlayContext context)
    {
        if (context.PlayText.Length == 0) return;

        string playKey = context.PlayText.Substring(0, 1);
        context.PlayText = context.PlayText.Substring(2);

        double playValue = Convert.ToDouble(
            context.PlayText.Substring(0, context.PlayText.IndexOf(" ")));
        context.PlayText = context.PlayText.Substring(context.PlayText.IndexOf(" ") + 1);

        Excute(playKey, playValue);
    }

    public abstract void Excute(string key, double value);
}

終結符：音符與音階#

class Note : Expression
{
    public override void Excute(string key, double value)
    {
        string note = key switch
        {
            "C" => "1", "D" => "2", "E" => "3", "F" => "4",
            "G" => "5", "A" => "6", "B" => "7",
            _   => ""
        };
        Console.Write($"{note} ");
    }
}

class Scale : Expression
{
    public override void Excute(string key, double value)
    {
        string scale = (int)value switch
        {
            1 => "低音", 2 => "中音", 3 => "高音",
            _ => ""
        };
        Console.Write($"{scale} ");
    }
}

客戶端#

PlayContext context = new PlayContext();
context.PlayText = "O 2 E 0.5 G 0.5 A 3 E 0.5 G 0.5 D 3 ...";

Expression expression = null;
while (context.PlayText.Length > 0)
{
    string str = context.PlayText.Substring(0, 1);
    switch (str)
    {
        case "O":
            expression = new Scale();
            break;
        case "C": case "D": case "E": case "F":
        case "G": case "A": case "B": case "P":
            expression = new Note();
            break;
    }
    expression.Interpret(context);
}

擴展：新增「音速」文法#

要增加 T 1000（每節拍一秒）這樣的速度設置：

加一個 Speed 表達式類
在客戶端 switch 加一個 case "T"

class Speed : Expression
{
    public override void Excute(string key, double value)
    {
        string speed = value < 500 ? "快速"
                     : value >= 1000 ? "慢速"
                     : "中速";
        Console.Write($"{speed} ");
    }
}

客戶端的 switch 還可進一步用簡單工廠 + 反射重構，達到不改客戶端就能擴展的目的（見第 15 章）。

解釋器模式的優缺點#

優點#

容易改變和擴展文法——使用類別表示文法規則，可用繼承擴展
容易實作文法——抽象語法樹中各節點類的實作大體類似

說白了，解釋器模式就是「用迷你語言來表現程式要解決的問題，以迷你語言寫成迷你程式」。

缺點#

解釋器模式為文法中的每一條規則至少定義了一個類——包含許多規則的文法可能難以管理和維護。
當文法非常複雜時，建議改用其他技術（語法分析程式或編譯器生成器）。