用 C# 开发一个解释器语言——基于《Crafting Interpreters》的实战系列（三）表达式的抽象语法树设计（Expr）

在前两篇博客中，我们完成了源码的词法分析，将代码拆解为 Token 流，接下来就进入理解如何用代码结构来表示程序中的表达式，也就是抽象语法树（AST）的构建。

本篇重点围绕书中核心数据结构 Expr 类展开，结合 C# 实现，详细讲解它的设计理念、组成部分及其作用。理解了它，就为后续语法分析器和解释器实现打下坚实基础。

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为什么需要抽象语法树（AST）？

编程语言的源代码本质上是字符串，但解释器需要有“结构化”语义才能理解执行。抽象语法树正是将线性文本转换成结构化、树状的模型。

举例：

(1 + 2) * 3

文本难以直接表达操作顺序和层次，但 AST 会明确表达“先计算括号内的加法，再乘以3”：

        *
       / \
      +   3
     / \
    1   2

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Expr 类的设计理念

Expr 是一个抽象基类，代表所有表达式的通用类型。不同的具体表达式继承自它：

• Literal：字面量表达式，比如数字、字符串等
• Binary：二元运算表达式，如加法、乘法
• Grouping：用括号分组的表达式
• Unary：一元运算表达式，如取负
• Variable、Assign 等（后续）

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访问者模式在 Expr 中的应用

为了对表达式做各种操作（打印、求值、编译等），书中采用了访问者模式（Visitor Pattern），它能避免在表达式类里写死所有逻辑，而是分离操作和数据结构。

Visitor接口定义

public interface Visitor<T>
{
    T VisitBinaryExpr(Binary expr);
    T VisitGroupingExpr(Grouping expr);
    T VisitLiteralExpr(Literal expr);
    T VisitUnaryExpr(Unary expr);
}

• 这里的泛型 <T> 表示访问方法的返回类型，可以是字符串、求值结果等。

Expr 抽象基类的 Accept 方法

public abstract T Accept<T>(Visitor<T> visitor);

• 每个具体表达式类都实现此方法，调用对应的访问者方法。

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具体表达式类详解

1. Binary（二元表达式）

public class Binary : Expr
{
    public Expr Left { get; }
    public Token Operator { get; }
    public Expr Right { get; }

    public Binary(Expr left, Token op, Expr right)
    {
        Left = left;
        Operator = op;
        Right = right;
    }

    public override T Accept<T>(Visitor<T> visitor)
    {
        return visitor.VisitBinaryExpr(this);
    }
}

• Left 和 Right 是操作数，均为 Expr 类型，支持嵌套表达式。
• Operator 是 Token，记录运算符本身，比如 +。

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2. Literal（字面量表达式）

public class Literal : Expr
{
    public object Value { get; }

    public Literal(object value)
    {
        Value = value;
    }

    public override T Accept<T>(Visitor<T> visitor)
    {
        return visitor.VisitLiteralExpr(this);
    }
}

• 保存字面量值，可以是数字、字符串、布尔等。
• 访问时直接返回该值。

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3. Grouping（分组表达式）

public class Grouping : Expr
{
    public Expr Expression { get; }

    public Grouping(Expr expression)
    {
        Expression = expression;
    }

    public override T Accept<T>(Visitor<T> visitor)
    {
        return visitor.VisitGroupingExpr(this);
    }
}

• 表示括号内的表达式，用于明确优先级。

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4. Unary（一元表达式）

public class Unary : Expr
{
    public Token Operator { get; }
    public Expr Right { get; }

    public Unary(Token op, Expr right)
    {
        Operator = op;
        Right = right;
    }

    public override T Accept<T>(Visitor<T> visitor)
    {
        return visitor.VisitUnaryExpr(this);
    }
}

• 一元操作符，如负号 -。

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Expr 的作用和价值

• 表达式树是解释器的核心数据模型，它将文本代码转换为层次分明的结构。
• 使用访问者模式后，我们可以灵活地扩展各种表达式操作，比如打印、求值、静态分析。
• Expr 的设计让代码清晰且易维护，符合面向对象设计原则。