Mẫu Interpreter (Design Pattern) giải thích kèm ví dụ

Mục đích và vấn đề mà mẫu này giải quyết

Mục đích: với một ngôn ngữ cho trước, định nghĩa cách biểu diễn ngữ pháp của nó cùng một trình thông dịch dùng cách biểu diễn đó để thông dịch các câu trong ngôn ngữ. Interpreter là một trong các mẫu hành vi trong sách Gang of Four (GoF).

Giả sử người dùng hệ thống định giá muốn tự viết quy tắc giảm giá, như price * 0.9 hoặc price - 5, và các quy tắc phải được lưu trong cơ sở dữ liệu để đánh giá sau. Không thể viết cứng từng quy tắc, vì người dùng liên tục tạo quy tắc mới. Bạn cần một ngôn ngữ nhỏ và cách đánh giá nó.

Mẫu Interpreter cho bạn một thiết kế đơn giản cho bước đánh giá đó. Số, biến và toán tử mỗi thứ trở thành một lớp. Quy tắc như price * 0.9 trở thành một cây: nút nhân có hai nút con là nút biến và nút số. Để tính kết quả, bạn gọi interpret trên nút nhân với một context chứa giá hiện tại.

Cấu trúc và các thành phần

Ngữ pháp của ví dụ bên dưới, viết bằng ký hiệu đơn giản:

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

Cài đặt bằng TypeScript

Mỗi quy tắc ngữ pháp là một lớp cài đặt Expression. Hàm parse biến biểu thức viết theo ký pháp hậu tố (toán tử đứng sau toán hạng), cách nhau bằng dấu cách, thành một cây, giúp parser ngắn gọn.

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

Cây của price 0.9 * 5 - là một nút trừ có con trái là nút nhân (với price và 0.9) và con phải là số 5. Sau khi phân tích, cùng một cây có thể được đánh giá nhiều lần với các context khác nhau.

Khi nào nên dùng và khi nào không

• Dùng khi ngôn ngữ nhỏ và ngữ pháp đơn giản: bộ lọc tìm kiếm, quy tắc feature flag, biểu thức phân quyền, chuyển đổi đơn vị hoặc công thức kiểu bảng tính.
• Dùng khi cùng một biểu thức được đánh giá nhiều lần với dữ liệu khác nhau, nên dựng cây một lần là có lợi.
• Đừng dùng cho ngôn ngữ lớn. Một lớp cho mỗi quy tắc trở nên khó bảo trì; hãy dùng trình sinh parser hoặc một ngôn ngữ nhúng có sẵn.
• Đừng dùng khi hiệu năng là then chốt. Duyệt một cây đối tượng chậm hơn biên dịch ra bytecode hoặc mã máy.
• Đừng bao giờ giải quyết bài toán bằng eval trên đầu vào của người dùng. Một trình thông dịch nhỏ chỉ hỗ trợ các thao tác bạn định nghĩa, an toàn hơn nhiều.

Để thêm thao tác mới trên cùng cây, như in đẹp hoặc kiểm tra kiểu, hãy kết hợp Interpreter với Visitor thay vì thêm phương thức vào mọi lớp nút.

Ứng dụng thực tế

• Các engine biểu thức chính quy biên dịch một mẫu thành cây hoặc đồ thị các đối tượng nút; việc khớp duyệt các nút này, đó là ý tưởng Interpreter áp dụng cho ngữ pháp regex.
• Các công cụ ngôn ngữ biểu diễn mã nguồn dưới dạng cây cú pháp trừu tượng: module ast của Python và đặc tả ESTree mà các công cụ JavaScript như Babel và ESLint dùng mô tả các loại nút cho mọi quy tắc ngữ pháp.
• Cơ sở dữ liệu SQL phân tích mệnh đề WHERE thành cây biểu thức và đánh giá nó cho từng dòng.
• Template engine và rule engine đánh giá các biểu thức nhỏ bên trong template hoặc quy tắc nghiệp vụ.

Các mẫu liên quan