设计模式之解释器模式

0x01. 定义与类型

• 定义：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
• 为了解释一种语言，而为语言创建的解释器。
• 类型：行为型
• UML 类图

• 一个解释器模式中包含的四种角色

  • 抽象（或接口）解释器 (Interpreter)：声明一个所有具体表达式都要实现的抽象接口（或者抽象类），接口中主要是一个 interpret() 方法，称为解释操作。具体解释任务由它的各个实现类来完成，具体的解释器分别由终结符解释器和非终结符解释器完成。
  • 终结符表达式（TerminalExpression）：实现与文法中的元素相关联的解释操作，通常一个解释器模式中只有一个终结符表达式，但有多个实例，对应不同的终结符。终结符一半是文法中的运算单元，比如有一个简单的公式 R =R1+R2，在里面 R1 和 R2 就是终结符，对应的解析 R1 和 R2 的解释器就是终结符表达式。
  • 非终结符表达式（NonterminalExpression）：文法中的每条规则对应于一个非终结符表达式，非终结符表达式一般是文法中的运算符或者其他关键字，比如公式 R =R1+R2 中，+ 就是非终结符，解析 + 的解释器就是一个非终结符表达式。非终结符表达式根据逻辑的复杂程度而增加，原则上每个文法规则都对应一个非终结符表达式。
  • 环境角色（Context）：这个角色的任务一般是用来存放文法中各个终结符所对应的具体值，比如 R =R1+R2，我们给 R1 赋值 100，给 R2 赋值 200。这些信息需要存放到环境角色中，很多情况下我们使用 Map 来充当环境角色就足够了。

0x02. 适用场景

• 在某个特定类型问题发生频率足够高，需要自定义语法的场景。比如数据按照配置规则 ETL！

0x03. 优缺点

1. 优点

• 语法由很多类表示，容易改变及扩展此“语言”

2. 缺点

• 当语法规则数目太多时，增加了系统复杂度。

0x04. 样例代码

使用解释器模式实现一个简单的语法 计算 6 100 11 + * 表达式，首先记录数值，然后按照顺序添加符号计算。
100 + 11
111 * 6
666

• java 代码实现

/**
 * 表达式定义接口
 */
public interface Interpreter {int interpret();
}

/**
 * 相加表达式
 */
public class AddInterpreter implements Interpreter {

    private Interpreter firstExpression, secondExpression;

    public AddInterpreter (Interpreter firstExpression, Interpreter secondExpression) {
        this.firstExpression = firstExpression;
        this.secondExpression = secondExpression;
    }

    @Override
    public int interpret() {return this.firstExpression.interpret() + this.secondExpression.interpret();}

    @Override
    public String toString() {return "+";}
}

/**
 * 相乘规则表达式
 */
public class MultiInterpreter implements Interpreter {

    private Interpreter firstExpression, secondExpression;

    public MultiInterpreter(Interpreter firstExpression, Interpreter secondExpression) {
        this.firstExpression = firstExpression;
        this.secondExpression = secondExpression;
    }


    @Override
    public int interpret() {return this.firstExpression.interpret() * this.secondExpression.interpret();}

    @Override
    public String toString() {return "*";}
}

/**
 * 数值型表达式
 */
public class NumberInterpreter implements Interpreter {

    private int number;

    public NumberInterpreter(int number) {this.number = number;}

    public NumberInterpreter(String number){this.number = Integer.parseInt(number);
    }

    @Override
    public int interpret() {return this.number;}
}

/**
 * 格式化表达式
 */
public class ExpressionParser {private Stack<Interpreter> stack = new Stack<>();

    public int parse (String expression) {String[] itemArray = expression.split(" ");
        for (String symbol : itemArray) {if (!OperatorUtil.isOperator(symbol)) {Interpreter numberExpression = new NumberInterpreter(symbol);
                stack.push(numberExpression);
                System.out.println(String.format("入栈：%d", numberExpression.interpret()));
            } else {
                // 是运算符可以计算
                Interpreter firstExpression = stack.pop();
                Interpreter secondExpression = stack.pop();
                System.out.println(String.format("出栈：%d 和 %d", firstExpression.interpret(),
                        secondExpression.interpret()));
                Interpreter operator = OperatorUtil.getExpression(firstExpression, secondExpression, symbol);
                System.out.println(String.format("应用运算符: %s", operator));
                int result = operator.interpret();
                NumberInterpreter numberInterpreter = new NumberInterpreter(result);
                stack.push(numberInterpreter);
                System.out.println(String.format("阶段结果入栈: %d", result));
            }
        }
        return stack.pop().interpret();
    }
}

/**
 * 工具类
 */
public class OperatorUtil {public static boolean isOperator(String symbol) {return (symbol.equals("+") || symbol.equals("*"));
    }

    public static Interpreter getExpression(Interpreter first,
                                            Interpreter second,
                                            String symbol) {switch (symbol) {
            case "+":
                return new AddInterpreter(first, second);
            case "*":
                return new MultiInterpreter(first, second);
            default:
                return null;
        }
    }
}

• 测试与应用

/**
 * 测试类
 */
public class Test {public static void main(String[] args) {
        String input = "6 100 11 + *";
        ExpressionParser parser = new ExpressionParser();
        int result = parser.parse(input);
        System.out.println("解释器运算结果：" + result);
    }
}

• 输出日志

入栈：6
入栈：100
入栈：11
出栈：11 和 100
应用运算符: +
阶段结果入栈: 111
出栈：111 和 6
应用运算符: *
阶段结果入栈: 666
解释器运算结果：666

• 代码对应的 UML 类图

在样例中：AddInterpreter 和 MultiInterpreter 为终结表达式，NumberInterpreter 为非终结表达式，ExpressionParser 为环境角色。

0x05. 相关设计模式

• 解释器模式和适配器模式

  • 适配器模式不需要先知道适配的规则
  • 解释器模式要预先知道语法规则

0x06. 源码中的解释器模式

• Pattern
• Spring SpelExpressionParse

0x07. 代码地址

• 设计模式之解释器模式: https://github.com/sigmako/design-pattern/tree/master/interpreter

0x08. 推荐阅读

• 慕课网设计模式精讲: https://coding.imooc.com/class/270.html
• 23 种设计模式（14）：解释器模式: https://blog.csdn.net/zhengzhb/article/details/7666020