雖然目前計算機程式語言有好幾百種，但有時人們還是希望用一些簡單的語言來實現特定的操作，只需要向計算機輸入一個句子或檔案，就能按照預定的文法規則來對句子或檔案進行解釋。例如，我們想要只輸入一個加法/減法表示式，它就能夠計算出表示式結果。例如輸入“1+2+3-4+1”時，將輸出計算結果為3。像C++，Java或C#都無法直接解釋類似這樣的字串，因此使用者必須自定義一套文法規則來實現對這些語句的解釋，即設計一個自定義語言。如果所基於的程式語言是面嚮物件語言，此時可以使用直譯器模式實現自定義語言。
| 直譯器模式（Interpreter） | 學習難度：★★★★★ | 使用頻率：★☆☆☆☆ |
一、格式化指令的需求背景
Background：M公司開發了一套簡單的基於字元介面的格式化指令，可以根據輸入的指令在字元介面輸出一些格式化內容，例如輸入“LOOP 2 PRINT 楊過 SPACE SPACE PRINT 小龍女 BREAK END PRINT 郭靖 SPACE SPACE PRINT 黃蓉”，將輸出以下結果：
其中，關鍵詞LOOP表示迴圈，後面的數字表示迴圈次數；PRINT表示列印，後面的字串表示列印的內容；SPACE表示空格；BREAK表示換行；END表示迴圈結束。每一個關鍵詞對應一條指令，計算機程式將根據關鍵詞執行相應的處理操作。
M公司的開發人員分析之後，根據格式化指令中句子的組成，定義瞭如下文法規則：
expression ::= command* // 表示式，一個表示式包含多條指令
command ::= loop | primitive // 語句指令
loop ::= 'loop number' expression 'end' // 迴圈指令，其中number為自然數
primitive ::= 'print string' | 'space' | 'byeak' // 基本指令，其中string為字串
二、直譯器模式概述
2.1 直譯器模式簡介
直譯器模式是一種使用頻率相對較低但學習難度較大的設計模式，它主要用於描述如何使用面嚮物件語言構成一個簡單的語言直譯器。
直譯器（Interpreter）模式：定義一個語言的文法，並且建立一個直譯器來解釋該語言中的句子，這裡的“語言”是指使用規定格式和語法的程式碼。直譯器模式是一種行為型模式。
2.2 直譯器模式結構
直譯器模式主要包含以下4個角色：
（1）AbstractExpression（抽象表示式）：宣告瞭抽象的解釋操作；
（2）TerminalExpression（終結符表示式）：抽象表示式的子類，實現了與文法中的終結符相關聯的解釋操作，在句中的每一個終結符都是該類的一個例項；
（3）NonterminalExpression（非終結符表示式）：抽象表示式的子類，實現了文法中非終結符的解釋操作，由於在非終結符表示式中可以包含終結符表示式，也可以繼續包含非終結符表示式，因此其解釋操作一般通過遞迴完成。
（4）Context（環境類）：又稱為上下文類，用於儲存直譯器之外的一些全域性資訊，通常它臨時儲存了需要解釋的語句。
三、格式化指令的具體實現
3.1 設計結構
M公司根據文法規則，通過進一步分析，結合直譯器模式繪製瞭如下圖所示的結構圖：
其中，Context充當環境類角色，Node充當抽象表示式角色，ExpressionNode、CommandNode和LoopCommandNode充當非終結符表示式角色，PrimitiveCommandNode充當終結符表示式角色。
3.2 程式碼實現
（1）環境類：Context
/// <summary> /// 環境類：用於儲存和操作需要解釋的語句， /// 在本例項中每一個需要解釋的單詞都可以稱為一個動作標記（ActionToker）或命令 /// </summary> public class Context { private int index = -1; private string[] tokens; private string currentToken; public Context(string text) { text = text.Replace(" ", " "); tokens = text.Split(' '); NextToken(); } // 獲取下一個標記 public string NextToken() { if (index < tokens.Length - 1) { currentToken = tokens[++index]; } else { currentToken = null; } return currentToken; } // 返回當前的標記 public string GetCurrentToken() { return currentToken; } // 跳過一個標記 public void SkipToken(string token) { if (!token.Equals(currentToken, StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.WriteLine("錯誤提示：{0} 解釋錯誤！", currentToken); } NextToken(); } // 如果當前的標記是一個數字，則返回對應的數值 public int GetCurrentNumber() { int number = 0; try { // 將字串轉換為整數 number = Convert.ToInt32(currentToken); } catch (Exception ex) { Console.WriteLine("錯誤提示：{0}", ex.Message); } return number; } }
（2）抽象表示式：Node
/// <summary> /// 抽象表示式：抽象節點類 /// </summary> public abstract class Node { // 宣告一個方法用於解釋語句 public abstract void Interpret(Context context); // 宣告一個方法用於執行標記對應的命令 public abstract void Execute(); }
（3）非終結符表示式：ExpressionNode、CommandNode和LoopCommandNode
/// <summary> /// 非終結符表示式：表示式節點類 /// </summary> public class ExpressionNode : Node { // 用於儲存多條命令的集合 private IList<Node> nodeList = new List<Node>(); public override void Interpret(Context context) { // 迴圈處理Context中的標記 while (true) { // 如果已經沒有任何標記，則退出解釋 if (context.GetCurrentToken() == null) { break; } // 如果標記為END，則不解釋END並結束本次解釋過程，可以繼續之後的解釋 else if (context.GetCurrentToken().Equals("END", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { context.SkipToken("END"); break; } // 如果為其它標記，則解釋標記並加入命令集合 else { Node node = new CommandNode(); node.Interpret(context); nodeList.Add(node); } } } // 迴圈執行命令集合中的每一條指令 public override void Execute() { foreach (var node in nodeList) { node.Execute(); } } } /// <summary> /// 非終結符表示式：語句命令節點類 /// </summary> public class CommandNode : Node { private Node node; public override void Interpret(Context context) { // 處理LOOP指令 if (context.GetCurrentToken().Equals("LOOP", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { node = new LoopCommand(); node.Interpret(context); } // 處理其他指令 else { node = new PrimitiveCommand(); node.Interpret(context); } } public override void Execute() { node.Execute(); } } /// <summary> /// 非終結符表示式：迴圈命令類 /// </summary> public class LoopCommand : Node { // 迴圈次數 private int number; // 迴圈語句中的表示式 private Node commandNode; public override void Interpret(Context context) { context.SkipToken("LOOP"); number = context.GetCurrentNumber(); context.NextToken(); // 迴圈語句中的表示式 commandNode = new ExpressionNode(); commandNode.Interpret(context); } public override void Execute() { for (int i = 0; i < number; i++) { commandNode.Execute(); } } }
（4）終結符表示式：PrimitiveCommandNode
/// <summary> /// 終結符表示式：基本命令類 /// </summary> public class PrimitiveCommand : Node { private string name; private string text; public override void Interpret(Context context) { name = context.GetCurrentToken(); context.SkipToken(name); if (!name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase) && !name.Equals("BREAK", StringComparison.OrdinalIgnoreCase) && !name.Equals("SPACE", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.WriteLine("非法命令！"); } if (name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { text = context.GetCurrentToken(); context.NextToken(); } } public override void Execute() { if (name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.Write(text); } else if (name.Equals("SPACE", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.Write(" "); } else if (name.Equals("BREAK", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) { Console.Write("\r\n"); } } }
（5）客戶端測試：
public class Program { public static void Main(string[] args) { string instruction = "LOOP 2 PRINT 楊過 SPACE SPACE PRINT 小龍女 BREAK END PRINT 郭靖 SPACE SPACE PRINT 黃蓉"; Context context = new Context(instruction); Node node = new ExpressionNode(); node.Interpret(context); Console.WriteLine("源指令 : {0}", instruction); Console.WriteLine("解釋後 : "); node.Execute(); Console.ReadKey(); } }
編譯除錯後執行結果如下圖所示：
四、直譯器模式小結
4.1 主要優點
（1）易於改變和擴充套件文法 => 通過繼承來改變或擴充套件
（2）增加新的解釋表示式較為方便 => 只需對應新增一個新的終結符或非終結符表示式，原有程式碼無須修改，符合開閉原則！
4.2 主要缺點
（1）對於複雜文法難以維護 => 一條規則一個類，如果太多文法規則，類的個數會劇增！
（2）執行效率較低 => 使用了大量迴圈和遞迴，在解釋複雜句子時速度很慢！
4.3 應用場景
（1）可以將一個需要解釋執行的語言中的句子表示為一個抽象語法樹
（2）一些重複出現的問題可以用一種簡單的語言來進行表達
（3）一個語言的文法較為簡單
（4）執行效率不是關鍵問題 => 高效的直譯器通常不是通過直接解釋抽象語法樹來實現的
參考資料
（1）劉偉，《設計模式的藝術—軟體開發人員內功修煉之道》