Interpreter パターンとは？例でわかりやすく解説

目的と解決する問題

目的：ある言語が与えられたとき、その文法の表現と、その表現を使って言語の文を解釈するインタープリタを定義することです。Interpreter は Gang of Four（GoF）の書籍にある振る舞いパターンの 1 つです。

価格設定システムの利用者が、price * 0.9 や price - 5 のような独自の割引ルールを書きたいとします。ルールはデータベースに保存して後で評価する必要があります。利用者は新しいルールを次々に作るので、ルールごとにコードへ直接書くことはできません。小さな言語と、それを評価する方法が必要です。

Interpreter パターンは、この評価のための単純な設計を与えてくれます。数値、変数、演算子がそれぞれクラスになります。price * 0.9 のようなルールは、乗算ノードが変数ノードと数値ノードを子に持つ木になります。結果を計算するには、現在の価格を保持するコンテキストを渡して、乗算ノードの interpret を呼びます。

構造と登場する役割

次の例で使う文法を、簡単な記法で示します。

expression ::= number | variable | expression op expression
op         ::= "+" | "-" | "*" | "/"

TypeScript での実装

文法規則はそれぞれ Expression を実装するクラスです。parse 関数は、空白区切りの後置記法（演算子がオペランドの後ろに来る）の式を木に変換するので、パーサを短く保てます。

type Context = Record<string, number>;
interface Expression {
  interpret(ctx: Context): number;
}
class Num implements Expression {
  constructor(private value: number) {}
  interpret() { return this.value; }
}
class Var implements Expression {
  constructor(private name: string) {}
  interpret(ctx: Context) {
    if (!Object.hasOwn(ctx, this.name)) throw new Error("Unknown variable " + this.name);
    return ctx[this.name];
  }
}
const ops = { "+": (a: number, b: number) => a + b, "-": (a: number, b: number) => a - b,
  "*": (a: number, b: number) => a * b, "/": (a: number, b: number) => a / b };
class BinaryOp implements Expression {
  constructor(private op: keyof typeof ops, private left: Expression, private right: Expression) {}
  interpret(ctx: Context) { return ops[this.op](this.left.interpret(ctx), this.right.interpret(ctx)); }
}
function parse(source: string): Expression {
  const stack: Expression[] = [];
  for (const token of source.trim().split(/\s+/)) {
    if (Object.hasOwn(ops, token)) {
      const right = stack.pop()!, left = stack.pop()!;
      stack.push(new BinaryOp(token as keyof typeof ops, left, right));
    } else if (!isNaN(Number(token))) stack.push(new Num(Number(token)));
    else stack.push(new Var(token));
  }
  return stack[0];
}
const rule = parse("price 0.9 * 5 -"); // (price * 0.9) - 5
console.log(rule.interpret({ price: 100 })); // 85
console.log(rule.interpret({ price: 40 })); // 31

price 0.9 * 5 - の木は、引き算ノードの左の子が乗算ノード（price と 0.9 を持つ）で、右の子が数値 5 です。一度パースすれば、同じ木をコンテキストを変えて何度でも評価できます。

使うべき場面と避けるべき場面

• 言語が小さく文法が単純なときに使います。検索フィルタ、フィーチャーフラグのルール、権限の式、単位変換、表計算ソフト風の数式などです。
• 同じ式を異なるデータで何度も評価する場合に使います。木を一度作れば、その手間に見合います。
• 大きな言語には使いません。規則ごとに 1 クラスでは保守が難しくなります。パーサジェネレータや既存の組み込み言語を使いましょう。
• 性能が重要な場合には使いません。オブジェクトの木をたどるのは、バイトコードや機械語にコンパイルするより遅くなります。
• ユーザー入力に eval を使って問題を解決してはいけません。小さなインタープリタは、自分で定義した操作しかサポートしないので、はるかに安全です。

同じ木に対して整形出力や型チェックのような新しい操作を加えるときは、すべてのノードクラスにメソッドを足すのではなく、Interpreter と Visitor パターンを組み合わせましょう。

実際の利用例

• 正規表現エンジンは、パターンをノードオブジェクトの木またはグラフにコンパイルし、マッチングはそのノードをたどって行います。これは正規表現の文法に適用された Interpreter の考え方です。
• 言語ツールはソースコードを抽象構文木で表現します。Python の ast モジュールや、Babel や ESLint などの JavaScript ツールが使う ESTree 仕様は、文法規則ごとにノードの種類を定めています。
• SQL データベースは、WHERE 句を式の木にパースし、行ごとにそれを評価します。
• テンプレートエンジンやルールエンジンは、テンプレートやビジネスルールの中にある小さな式を評価します。

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