解釋器是一種不常使用的設計模式，它用於描述如何構成一個簡單的語言解釋器，主要應用於使用面向對象語言開發的編譯器和解釋器設計。當我們需要開發一個新的語言時，可以考慮使用解釋器模式 模式動機 如果在系統中某一特定類型的問題發生的頻率很高，此時可以考慮將這些問題的實例表述為一個語言中的句子。再構建一個解釋 ...
解釋器是一種不常使用的設計模式，它用於描述如何構成一個簡單的語言解釋器，主要應用於使用面向對象語言開發的編譯器和解釋器設計。當我們需要開發一個新的語言時，可以考慮使用解釋器模式
模式動機
如果在系統中某一特定類型的問題發生的頻率很高，此時可以考慮將這些問題的實例表述為一個語言中的句子。再構建一個解釋器，解釋器通過解釋這些句子來解決對應的問題。
舉個例子，我們希望系統提供一個功能來支持一種新的加減法表達式語言，當輸入表達式為 "1 + 2 + 3 - 4 + 1" 時，輸出計算結果為 3。為了實現上述功能，需要對輸入表達式進行解釋，如果不作解釋，直接把 "1 + 2 + 3 - 4 + 1" 丟過去，現有的如 Java、C 之類的編程語言只會把它當作普通的字元串，不可能實現我們想要的計算效果。我們必須自己定義一套規則來實現該語句的解釋，即實現一個簡單語言來解釋這些句子，這就是解釋器模式的模式動機。
模式定義
定義語言的文法，並且建立一個解釋器來解釋該語言中的句子，這裡的 “語言” 意思是使用規定格式和語法的代碼，它是一種類行為型模式。
模式結構
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AbstractExpression（抽象表達式）
聲明瞭抽象的解釋操作，它是所有終結符表達式和非終結符表達式的公共父類
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TerminalExpression（終結符表達式）
抽象表達式的子類，實現了文法中的終結符相關聯的解釋操作，在句子中每一個終結符都是該類的一個實例。
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NonterminalExpression（非終結符表達式）
也是抽象表達式的子類，實現了文法中的非終結符相關聯的解釋操作，非終結符表達式中可以包含終結符表達式，也可以繼續包含非終結符表達式，因此其解釋操作一般通過遞歸方式來完成。
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Context（環境類）
環境類又稱上下文類，它用於存儲解釋器之外的一些全局信息，通常它臨時存儲了需要解釋的語句。
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Client（客戶類）
客戶類中構造了表示以規定文法定義的一個特定句子的抽象語法樹，該抽象語法樹由非終結符表達式和終結符表達式實例組合而成。在客戶類中還將調用解釋操作，實現對句子的解釋，有時候為了簡化客戶類代碼，也可以將抽象語法樹的構造工作封裝到專門的類中完成，客戶端只需提供待解釋的句子並調用該類的解釋操作即可，該類可以稱為解釋器封裝類
模式分析
還是以之前提到的加減法表達式語言來舉例，我們要為這門語言定義語法規則，可以使用如下文法來定義
expression ::= value | symbol
symbol ::= expression '+' expression | expression '-' expression
value ::= an integer // 一個整數值
該文法規則包含三條定義語句，第一句是表達式的組成方式，expression 是我們最終要得到的句子，假設是 "1 + 2 + 3 - 4 + 1"，那麼該句的組成元素無非就是兩種，數字（value）和運算符號（symbol），如果用專業術語來描述的話，symbol 和 value 稱為語法構造成分或語法單位。根據句子定義，expression 要麼是一個 value，要麼是一個 symbol。
value 是一個終結符表達式，因為它的組成元素就是一個整數值，不能再進行分解。與之對應的 symbol 則是非終結符表達式，它的組成元素仍舊可以是表達式 expression，expression 又可以是 value 或者 symbol，即可以進一步分解。
按照上述的文法規則，我們可以通過一種稱之為抽象語法樹（Abstract Syntax Tree）的圖形方式來直觀地表示語言的構成，每一顆抽象語法樹對應一個語言實例，如 "1 + 2 + 3 - 4 + 1" 可以通過如圖的抽象語法樹來表示。
每一個具體的語句都可以用類似的抽象語法樹來表示，終結符表達式類的實例作為樹的葉子節點，而非終結符表達式類的實例作為非葉子節點。抽象語法樹描述瞭如何構成一個複雜的句子，通過對抽象語法樹的分析，可以識別出語言中的終結符和非終結符類。
在解釋器模式中，每一個終結符和非終結符都有一個具體類與之對應，正因為使用類來表示每一個語法規則，使得系統具有較好的擴展性和靈活性。對於所有的終結符和非終結符，首先要抽象出一個公共父類
public abstract class AbstractExpression {
public abstract void interpret(Context ctx);
}
對於終結符表達式，其代碼主要是對終結符元素的處理
public class TerminalExpression extends AbstractExpression {
public void interpret(Context ctx) {
// 對於終結符表達式的解釋操作
}
}
對於終結符表達式，其代碼比較複雜，因為通過非終結符表達式可以將表達式組合成更複雜的結構。表達式可以通過非終結符連接在一起，對於兩個操作元素的非終結符表達式，其典型代碼如下
public class NonterminalExpression extends AbstractExpression {
private AbstractExpression left;
private AbstractExpression right;
public NonterminalExpression(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
this.left = left;
this.right = right;
}
public void interpret(Context ctx) {
// 遞歸調用每一個組成部分的 interpret() 方法
// 在遞歸調用時指定組成部分的連接方式，即非終結符的功能
}
}
通常在解釋器模式中還提供了一個環境類 Context，用於存儲一些全局信息，用於在進行具體的解釋操作時從中獲取相關信息。當系統無須提供全局公共信息時，可以省略環境類
public class Context {
private HashMap map = new HashMap();
public void assign(String key, String value) {
// 往環境類中設值
}
public void lookup(String key) {
// 獲取存儲在環境類中的值
}
}
模式實例
現需構造一個語言解釋器，使系統可以執行整數間的乘、除和求模運算。當用戶輸入表達式 "3 * 4 / 2 % 4"，輸出結果為 2
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抽象表達式類 Node（抽象節點）
public interface Node { public int interpret(); } -
終結符表達式類 ValueNode（值節點類）
public class ValueNode implements Node { private int value; public ValueNode(int value) { this.value = value; } @Override public int interpret() { return this.value; } } -
抽象非終結符表達式類 SymbolNode（符號節點類）
public abstract class SymbolNode implements Node { protected Node left; protected Node right; public SymbolNode(Node left, Node right) { this.left = left; this.right = right; } } -
非終結符表達式類 MulNode（乘法節點類）
public class MulNode extends SymbolNode { public MulNode(Node left, Node right) { super(left, right); } @Override public int interpret() { return super.left.interpret() * super.right.interpret(); } } -
非終結符表達式類 DivNode（除法節點類）
public class DivNode extends SymbolNode { public DivNode(Node left, Node right) { super(left, right); } @Override public int interpret() { return super.left.interpret() / super.right.interpret(); } } -
非終結符表達式類 ModNode（求模節點類）
public class ModNode extends SymbolNode { public ModNode(Node left, Node right) { super(left, right); } @Override public int interpret() { return super.left.interpret() % super.right.interpret(); } } -
解釋器封裝類 Calculator（計算器類）
Calculator 類是本實例的核心類之一，Calculator 類中定義瞭如何構造一棵抽象語法樹，在構造過程中使用了棧結構 Stack。通過一連串判斷語句判斷字元，如果是數字，實例化終結符表達式類 ValueNode 並壓棧；如果判斷為運算符號，則取出棧頂內容作為其左表達式，而將之後輸入的數字封裝在 ValueNode 類型的對象作為其右表達式，創建非終結符表達式 MulNode 類型的對象，最後將該表達式壓棧。
public class Calculator { private String statement; private Node node; public void build(String statement) { Node left = null, right = null; Stack<Node> stack = new Stack<Node>(); String[] statementArr = statement.split(" "); for (int i = 0; i < statementArr.length; i++) { if (statementArr[i].equalsIgnoreCase(("*"))) { left = stack.pop(); int val = Integer.parseInt(statementArr[++i]); right = new ValueNode(val); stack.push(new MulNode(left, right)); } else if (statementArr[i].equalsIgnoreCase(("/"))) { left = stack.pop(); int val = Integer.parseInt(statementArr[++i]); right = new ValueNode(val); stack.push(new DivNode(left, right)); } else if (statementArr[i].equalsIgnoreCase(("%"))) { left = stack.pop(); int val = Integer.parseInt(statementArr[++i]); right = new ValueNode(val); stack.push(new ModNode(left, right)); } else { stack.push(new ValueNode(Integer.parseInt(statementArr[i]))); } } this.node = stack.pop(); } public int compute() { return node.interpret(); } } -
客戶端測試類 Client
程式執行時將遞歸調用每一個表達式類的 interpret() 的解釋方法，最終完成對整棵抽象語法樹的解釋。
public class Client { public static void main(String[] args) { String statement = "3 * 4 / 2 % 4"; Calculator calculator = new Calculator(); calculator.build(statement); int result = calculator.compute(); System.out.println(statement + " = " + result); } } -
運行結果
模式優缺點
解釋器模式優點如下：
- 易於改變和擴展文法。由於使用類來表示語言的文法規則，可以通過繼承機制來改變或擴展文法。
- 易於實現文法。抽象語法樹中每一個節點類的實現方式都是相似的，編寫並不複雜。
- 增加了新的解釋表達式的方式。增加新的表達式時無須對現有表達式類進行修改，符合開閉原則
解釋器模式缺點如下：
- 對於複雜文法難以維護。
- 執行效率低。解釋器模式使用了大量迴圈和遞歸調用。
- 應用場景有限。
