Day 20 解釋器模式 Interpreter Pattern

2024 iThome 鐵人賽

DAY 20

Software Development

輕鬆學習設計模式Design Pattern系列第 20 篇

16th鐵人賽

ShengYu

2024-09-13 22:52:00

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大家有沒有想過當你在終端機輸入指令時，電腦是如何理解並執行這些指令的？或者當你使用正則表達式搜尋文字時，背後的機制是什麼？這些看似神奇的功能背後，其實都隱藏著一個強大而優雅的設計模式，那就是解釋器模式 Interpreter Pattern，今天就來聊聊這個模式，幫助我們理解當電腦「讀懂」我們的指令時背後的魔法。

什麼是解釋器模式？

解釋器模式是一種行為型設計模式，主要用來解析語言、處理簡單語法規則的。這個模式背後的想法其實很簡單：我們定義一套「語法規則」，然後讓每個「字元」或「符號」有自己專屬的解釋方式。這樣我們就能依照語法，逐步分析出我們想要的結果。

打個比方，就像我們學習一種新語言時，會先學習單字，接著組合句子，最後可以用來進行溝通。解釋器模式就像是這個過程的數位版，先定義每個「單字」的意思，再教你如何解釋這些字。

解釋器模式在計算機中的應用

計算機應該是最能體現解釋器模式的例子之一。想像你有一個簡單的計算機，輸入表達式如「2 + 3 * 4」，然後計算出結果。解釋器模式就可以幫助我們將這些數字與運算符號組合成一個能夠「理解」的語法樹。

首先先定義一個 Expression 介面，它會有一個 interpret() 方法。這個方法負責對數字和符號進行解釋，

// 抽象表達式
class Expression {
public:
    virtual int interpret() = 0;
    virtual ~Expression() = default;
};

接著定義具體的 NumberExpression（數字表達式）和 OperatorExpression（運算符表達式）。數字表達式會簡單地回傳它自己的值，而運算符表達式則會對兩個子表達式進行計算，比如加法、乘法等。

// 數字表達式
class NumberExpression : public Expression {
    int number;
public:
    NumberExpression(int num) : number(num) {}
    int interpret() override {
        return number;
    }
};

// 加法表達式
class AddExpression : public Expression {
    Expression* left;
    Expression* right;
public:
    AddExpression(Expression* l, Expression* r) : left(l), right(r) {}
    int interpret() override {
        return left->interpret() + right->interpret();
    }
};

// 乘法表達式
class MultiplyExpression : public Expression {
    Expression* left;
    Expression* right;
public:
    MultiplyExpression(Expression* l, Expression* r) : left(l), right(r) {}
    int interpret() override {
        return left->interpret() * right->interpret();
    }
};

在前面已經定義了基礎的 NumberExpression、AddExpression 和 MultiplyExpression 類別。接下來我們在客戶端來實際使用這些表達式，讓整個流程完整起來。

我們會有一個解析器來遍歷表達式，並一步步解釋每個部分。假設我們要處理一個簡單的表達式「2 + 3」，客戶端的邏輯會像下面這樣：

int main() {
    // 建立一個表示數字2的NumberExpression
    Expression* num1 = new NumberExpression(2);
    
    // 建立一個表示數字3的NumberExpression
    Expression* num2 = new NumberExpression(3);
    
    // 建立一個表示加法的AddExpression，將兩個數字作為參數傳入
    Expression* addExpr = new AddExpression(num1, num2);

    int result = addExpr->interpret();
    std::cout << "2 + 3 = " << result << std::endl;

    Expression* mulExpr = new MultiplyExpression(num1, num2);
    result = mulExpr->interpret();
    std::cout << "2 * 3 = " << result << std::endl;

    // 釋放記憶體
    delete num1;
    delete num2;
    delete addExpr;
    delete mulExpr;
    
    return 0;
}

執行上述程式碼，我們會得到以下輸出，當我們將表達式「2 + 3」傳給計算機時，解釋器就會根據我們定義的語法規則一步步處理，最終給出結果。