解释器模式详解与示例

意图与它要解决的问题

意图：给定一门语言，定义其文法的一种表示，并定义一个解释器，用该表示来解释语言中的句子。解释器是《设计模式》（Gang of Four，GoF）一书中的行为型模式之一。

假设定价系统的用户想自己编写折扣规则，例如 price * 0.9 或 price - 5，这些规则要存进数据库，之后再求值。把每条规则写死在代码里是不可能的，因为用户随时会创建新规则。你需要一门小语言，以及对它求值的办法。

解释器模式为这一求值步骤提供了一个简单的设计：数字、变量和运算符各自成为一个类。像 price * 0.9 这样的规则会变成一棵树：一个乘法节点，下面挂着一个变量节点和一个数字节点。要得到结果，只需用保存当前价格的上下文去调用乘法节点的 interpret。

结构与参与者

下面示例所用的文法，用简单记法写出：

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

TypeScript 实现

每条文法规则都是实现 Expression 的一个类。parse 函数把以空格分隔的后缀表达式（运算符在操作数之后）转换成树，这样解析器可以写得很短。

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 - 对应的树是一个减法节点：左子节点是乘法节点（含 price 和 0.9），右子节点是数字 5。解析完成后，同一棵树可以配合不同的上下文反复求值。

何时使用，何时不用

• 当语言很小、文法很简单时使用：搜索过滤器、功能开关规则、权限表达式、单位换算或电子表格式的公式。
• 当同一个表达式要用不同数据反复求值时使用，这样一次构建树就划算了。
• 不要用于大型语言。每条规则一个类会变得难以维护；请改用解析器生成器或现成的嵌入式语言。
• 性能至关重要时不要使用。遍历对象树比编译成字节码或机器码要慢。
• 绝不要对用户输入使用 eval 来解决问题。小型解释器只支持你定义的操作，安全得多。

如果要在同一棵树上添加新操作，例如美化输出或类型检查，请把解释器与访问者结合使用，而不是给每个节点类增加更多方法。

实际应用

• 正则表达式引擎会把模式编译成由节点对象组成的树或图，匹配时遍历这些节点，这就是把解释器思想用在正则文法上。
• 语言工具把源代码表示为抽象语法树：Python 的 ast 模块，以及 Babel、ESLint 等 JavaScript 工具使用的 ESTree 规范，都为每条文法规则描述了节点类型。
• SQL 数据库会把 WHERE 子句解析成表达式树，并对每一行求值。
• 模板引擎和规则引擎会对模板或业务规则中的小型表达式求值。

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