直譯器模式（Interpreter）詳解與範例

意圖與要解決的問題

意圖：給定一個語言，定義其文法的表示法，並提供一個使用該表示法來直譯該語言句子的直譯器。直譯器是《設計模式》（Gang of Four，簡稱 GoF）一書中的行為型模式之一。

假設定價系統的使用者想自己撰寫折扣規則，例如 price * 0.9 或 price - 5，而且這些規則要存進資料庫、之後再求值。把每條規則寫死是不可能的，因為使用者隨時會建立新規則。你需要一個小型語言，以及對它求值的方法。

直譯器模式為這個求值步驟提供了一個簡單的設計。數字、變數和運算子各自成為一個類別。像 price * 0.9 這樣的規則會變成一棵樹：一個乘法節點，底下是一個變數節點和一個數字節點。要算出結果，只要對乘法節點呼叫 interpret，並傳入保存目前價格的情境物件。

結構與參與者

下方範例的文法，以簡單的記法寫成：

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

TypeScript 實作

每條文法規則都是實作 Expression 的類別。parse 函式把以空格分隔的後置記法運算式（運算子在運算元之後）轉成一棵樹，讓剖析器保持簡短。

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 - 的樹是一個減法節點，它的左子節點是乘法節點（含 price 與 0.9），右子節點是數字 5。剖析完成後，同一棵樹可以搭配不同的情境重複求值許多次。

何時使用、何時不用

• 當語言很小、文法很簡單時使用：搜尋過濾條件、功能旗標規則、權限運算式、單位換算，或試算表式的公式。
• 當同一個運算式要用不同資料反覆求值時使用，這樣只建一次樹就值回票價。
• 不要用於大型語言。每條規則一個類別會變得難以維護；請改用剖析器產生器或現成的嵌入式語言。
• 效能攸關時不要使用。走訪物件樹比編譯成位元組碼或機器碼慢。
• 絕對不要對使用者輸入使用 eval 來解決問題。小型直譯器只支援你定義的操作，安全得多。

若要在同一棵樹上新增操作，例如美化輸出或型別檢查，請把直譯器與訪問者搭配使用，而不是為每個節點類別增加更多方法。

實際應用

• 正規表示式引擎會把模式編譯成由節點物件組成的樹或圖；比對時走訪這些節點，這就是把直譯器的概念套用在正規表示式文法上。
• 語言工具把原始碼表示成抽象語法樹：Python 的 ast 模組，以及 Babel、ESLint 等 JavaScript 工具所用的 ESTree 規格，都為每條文法規則描述了節點型別。
• SQL 資料庫會把 WHERE 子句剖析成運算式樹，並對每一列求值。
• 樣板引擎與規則引擎會對樣板或商業規則中的小型運算式求值。

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