解釋器模式 Interpreter 行為型 設計模式（十九）

来源:https://www.cnblogs.com/noteless/archive/2018/12/12/10107675.html
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解釋器模式是一種不很常用的模式，但是比如正則表達式就是一種解釋器模式的思維，所以儘管實際編碼中不常用，理解解釋器模式的含義很重要，本文對解釋器模式進行了簡單的介紹，並且給出了Java代碼示例，介紹瞭解釋器模式的意圖結構。 ...


  解釋器模式（Interpreter）   image_5c108d54_680 考慮上圖中計算器的例子 設計可以用於計算加減運算（簡單起見，省略乘除），你會怎麼做？    你可能會定義一個工具類，工具類中有N多靜態方法 比如定義了兩個方法用於計算a+b 和 a+b-c 
public static int add(int a,int b){
return a+b;
}

public static int add(int a,int b,int c){
return a+b-c;
}
但是很明顯，如果形式有限，那麼可以針對對應的形式進行編程 如果形勢變化非常多，這就不符合要求，因為加法和減法運算，兩個運算符與數值可以有無窮種組合方式 比如 a+b+c+d+e+f、a-b-c+d、a-b+c....等等  用有限的方法參數列表組合的形式，怎麼可能表達出無窮的變化？   也可以通過函數式介面，能夠提高一定的靈活性 
package function;

@FunctionalInterface
public interface Function1<A,B,C,D,E,F,G, R> {
R xxxxx(A a,B b,C c,D d,E e,F f,G g);
}
image_5c108d54_4451 好處是可以動態的自定義方程式，但是你可能需要定義很多函數式介面 而且，有限的函數式介面也不能解決無限種可能的 上面的方式都是以有限去應對無限，必然有行不通的時候 顯然，你需要一種翻譯識別機器，能夠解析由數字以及+ - 符號構成的合法的運算序列 如果把運算符和數字都看作節點的話，能夠逐個節點的進行讀取解析運算 這就是解釋器模式的思維 解釋器不限定具體的格式，僅僅限定語法，能夠識別遵循這種語法的“語言”書寫的句子 不固定你的形式，也就是不存在強製為a+b的情形，但是你必須遵循固定語法，數字和 + - 符號組成 Java編譯器可以識別遵循java語法的表達式和語句，C語言編譯器可以識別遵循C語言語法的表達式和語句。說的就是這個意思  

意圖

給定一個語言，定義他的文法的一種表示，並定義一個解釋器，這個解釋器使用該表示來解釋語言中的句子。 解釋器模式其實就是編譯原理的思維方式   如果某種特定類型的問題發生的頻率很高，那麼就可以考慮將該問題的各個實例表述為一個簡單語言中的句子，通過解釋器進行識別。 經典的案例就是正則表達式 我們在實際開發中，經常需要判斷郵箱地址、手機號碼是否正確，如果沒有正則表達式 我們需要編寫特定的演算法函數進行判斷，去實現這些規則，比如一個演算法可能用來判斷是否是郵箱，比如要求必須有@符號   正則表達式是用來解決字元串匹配的問題，他是解釋器模式思維的一個運用實例 通過定義正則表達式的語法結構，進而通過表達式定義待匹配字元的集合，然後通過通用的演算法來解釋執行正則表達式 解釋器模式將語法規則抽象出來，設置通用的語法規則，然後使用通用演算法執行 使用正則表達式你不在需要自己手動實現演算法去實現規則，你只需要按照正則表達式的語法，對你需要匹配的字元集合進行描述即可 有現成的通用演算法來幫你實現，而語法相對於演算法的實現，自然是簡單了很多 再比如瀏覽器解析HTML，我們知道HTML頁面是由固定的元素組成的，有他的語法結構 但是一個HTML頁面的標簽的個數以及標簽內容的組合形式卻是千變萬化的，但是瀏覽器可以正確的將他們解析呈現出來 這也是一種解釋器的模型   在解釋器模式中，我們需要將待解決的問題，提取出規則，抽象為一種“語言” 比如加減法運算，規則為：有數值和+- 符號組成的合法序列 加減法運算就不能有乘除，否則就不符合語法 “1+2+3”就是這種語言的一個句子   比如遙控汽車的操作按鈕，規則為：由前進、後退、左轉、右轉四種指令組成 遙控汽車就不能有起飛，否則就是不符合語法的 “前進 左轉 後退 前進 後退”就是這種語言的一個句子   解釋器就是要解析出來語句的含義 既然需要將待解決的問題場景提取出規則，那麼如何描述規則呢？  

語法規則描述

對於語法規則的定義，也有一套規範用於描述 Backus-Naur符號（就是眾所周知的BNF或Backus-Naur Form）是描述語言的形式化的數學方法 叫做範式，此後又有擴展的，叫做EBNF
範式基本規則
::= 表示定義，由什麼推導出 尖括弧 < > 內為必選項； 方括弧 [ ] 內為可選項； 大括弧 { } 內為可重覆0至無數次的項； 圓括弧 ( ) 內的所有項為一組，用來控製表達式的優先順序 豎線 | 表示或，左右的其中一個 引號內為字元本身，引號外為語法(比如 'for'表示關鍵字for )
  有了規則我們就可以對語法進行描述，這是解釋器模式的基礎工作 比如加減法運算可以這樣定義
expression：=value | plus | minus plus：=expression ‘+’ expression minus：=expression ‘-’ expression value：=integer
值的類型為整型數 有加法規則和減法規則 表達式可以是一個值，也可以是一個plus或者minus 而plus和minus又是由表達式結合運算符構成   可以看得出來，有遞歸嵌套的概念
 

抽象語法樹

除了使用文法規則來定義規則，還可以通過抽象語法樹的圖形方式直觀的表示語言的構成 文法規則描述了所有的場景，所有條件匹配的都是符合的，不匹配的都是不符合的 符合語法規則的一個“句子”就是語言規則的一個實例 抽象語法樹正是對於這個實例的一個描述 一顆抽象語法樹對應著語言規則的一個實例   關於抽象語法樹百科中這樣介紹 在電腦科學中，抽象語法樹（abstract syntax tree 或者縮寫為 AST），或者語法樹（syntax tree） 是源代碼的抽象語法結構的樹狀表現形式，這裡特指編程語言的源代碼。 樹上的每個節點都表示源代碼中的一種結構。 之所以說語法是「抽象」的，是因為這裡的語法並不會表示出真實語法中出現的每個細節。   比如 1+2+3+4-5是一個實例 image_5c108d54_58bf 所以說文法規則用於描述語言規則，抽象語法樹描述描述語言的一個實例，也就是一個“句子”

結構

image_5c108d54_6382 抽象表達式角色AbstractExpression 聲明一個抽象的解釋操作，所有的具體表達式操作都需要實現的抽象介面 介面主要是interpret()方法，叫做解釋操作 終結符表達式角色TerminalExpression 這是一個具體角色，實現與文法中的終結符相關聯的解釋操作，主要就是interpret()方法 一個句子中的每個終結符都需要此類的一個實例 非終結符表達式NoneTerminalExpression 這也是一個具體的角色，對文法中的每一條規則R::=R1R2.....Rn都需要一個NoneTerminalExpression 類，註意是類，而不是實例 對每一個R1R2...Rn中的符號都持有一個靜態類型為AbstractExpression的實例變數； 實現解釋操作，主要就是interpret()方法 解釋操作以遞歸的方式調用上面所提到的代表R1R2...Rn中的各個符號的實例變數 上下文角色Context 包含解釋器之外的一些全局信息，一般情況下都會需要這個角色 Client 構建表示該文法定義的語言中的一個特定的句子的抽象語法樹 抽象語法樹由NoneTerminalExpression 和 TerminalExpression的實例組裝而成 調用解釋器的interpret（）方法

終結符和非終結符

通俗的說就是不能單獨出現在推導式左邊的符號，也就是說終結符不能再進行推導，也就是終結符不能被別人定義 除了終結符就是非終結符 從抽象語法樹中可以發現，葉子節點就是終結符 除了葉子節點就是非終結符

角色示例解析

回到剛纔的例子
expression：=value | plus | minus plus：=expression ‘+’ expression minus：=expression ‘-’ expression value：=integer 
  上面是我們給加減法運算定義的語法規則，由四條規則組成 其中規則value：=integer 表示的就是終結符 所以這是一個TerminalExpression，每一個數字1+2+3+4-5中的1,2,3,4,5就是TerminalExpression的一個實例對象。   對於plus和minus規則，他們不是非終結符，屬於NoneTerminalExpression 他們的推導規則分別是通過‘+’和‘-’連接兩個expression 也就是角色中說到的“對文法中的每一條規則R::=R1R2.....Rn都需要一個NoneTerminalExpression 類” 也就是說plus表示一條規則，需要一個NoneTerminalExpression類 minus表示一條規則，需要一個NoneTerminalExpression類 expression是value 或者 plus 或者 minus，所以不需要NoneTerminalExpression類了   非終結符由終結符推導而來 NoneTerminalExpression類由TerminalExpression組合而成 所以需要：抽象表達式角色AbstractExpression   在計算過程中，一般需要全局變數保存變數數據 這就是Context角色的一般作用     image_5c108d54_15ff     以最初的加減法為例，我們的句子就是數字和+ - 符號組成 比如 1+2+3+4-5   抽象角色AbstractExpression 
package interpret;
public abstract class AbstractExpression {
public abstract int interpret();
}
終結符表達式角色TerminalExpression 內部有一個int類型的value，通過構造方法設置值 
package interpret;

public class Value extends AbstractExpression {

private int value;
Value(int value){
this.value = value;
}

@Override
public int interpret() {
return value;
}
}
加法NoneTerminalExpression 
package interpret;

public class Plus extends AbstractExpression {

private AbstractExpression left;
private AbstractExpression right;

Plus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
this.left = left;
this.right = right;
}


@Override
public int interpret() {
return left.interpret() + right.interpret();
}
}
減法 NoneTerminalExpression 
package interpret;

public class Minus extends AbstractExpression {

private AbstractExpression left;
private AbstractExpression right;

Minus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
this.left = left;
this.right = right;
}

@Override
public int interpret() {
return left.interpret() - right.interpret();
}
}
客戶端角色 
package interpret;

public class Client {

public static void main(String[] args) {

AbstractExpression expression = new Minus(
new Plus(new Plus(new Plus(new Value(1), new Value(2)), new Value(3)), new Value(4)),
new Value(5));
System.out.println(expression.interpret());
}
}
image_5c108d54_4566   上面的示例中，完成瞭解釋器模式的基本使用 我們通過不斷重覆的new 對象的形式，嵌套的構造了一顆抽象語法樹 只需要執行interpret 方法即可獲取最終的結果   這就是解釋器模式的基本原理 非終結符表達式由終結符表達式組合而來，也就是由非終結符表達式嵌套 嵌套就意味著遞歸，類似下麵的方法，除非是終結符表達式，否則會一直遞歸 
int f(int x) {
if (1 == x) {
return x;
} else {
return x+f(x-1);
}
}
上面的示例中，每次使用時，都需要藉助於new 按照抽象語法樹的形式創建一堆對象 比如計算1+2與3+4 是不是可以轉換為公式的形式呢? 也就是僅僅定義一次表達式，不管是1+2 還是3+4還是6+8 都可以計算？ 所以我們考慮增加“變數”這一終結符表達式節點 增加變數類Variable  終結符節點 內部包含名稱和值，提供值變更的方法 
package interpret;
public class Variable extends AbstractExpression{
    private String name;
    private Integer value;
    Variable(String name,Integer value){
        this.name = name;
        this.value = value;
    }
    public void setValue(Integer value) {
        this.value = value;
    }
    @Override
    public int interpret() {
        return value;
    }
}
package interpret;
public class Client {
public static void main(String[] args) {
        //定義變數X和Y,初始值都為0
        Variable variableX = new Variable("x", 0);
        Variable variableY = new Variable("y", 0);
        //計算公式為: X+Y+X-1
        AbstractExpression expression2 = new Minus(new Plus(new Plus(variableX, variableY), variableX),
        new Value(1));
        variableX.setValue(1);
        variableY.setValue(3);
        System.out.println(expression2.interpret());
        variableX.setValue(5);
        variableY.setValue(6);
        System.out.println(expression2.interpret());
    }
}
image_5c108d54_354f   有了變數類 Variable，就可以藉助於變數進行公式的計算 而且，很顯然，公式只需要設置一次，而且可以動態設置 通過改變變數的值就可以達到套用公式的目的   一般的做法並不是直接將值設置在變數類裡面，變數只有一個名字，將節點所有的值設置到Context類中 Context的作用可以通過示例代碼感受下  

代碼示例

完整示例如下 image_5c108d54_4ce5 AbstractExpression抽象表達式角色 接受參數Context，如有需要可以從全局空間中獲取數據 
package interpret.refactor;

public abstract class AbstractExpression {
public abstract int interpret(Context ctx);
}
數值類Value 終結符表達式節點 內部還有int value 他不需要從全局空間獲取數據，所以interpret方法中的Context用不到 增加了toString方法，用於呈現 數值類的toString方法直接回顯數值的值 
package interpret.refactor;

public class Value extends AbstractExpression {

private int value;

Value(int value) {
this.value = value;
}

@Override
public int interpret(Context ctx) {
return value;
}

@Override
public String toString() {
return new Integer(value).toString();
}
}
變數類Variable  終結符表達式 變數類擁有名字，使用內部的String name 變數類的真值保存在Context中，Context是藉助於hashMap存儲的 Context定義的類型為Map<Variable, Integer> 所以，我們重寫了equals以及hashCode方法 Variable的值存儲在Context這一全局環境中，值也是從中獲取 
package interpret.refactor;

public class Variable extends AbstractExpression {

private String name;
Variable(String name) {
this.name = name;
}


@Override
public int interpret(Context ctx) {
return ctx.getValue(this);
}

@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (obj != null && obj instanceof Variable) {
return this.name.equals(
((Variable) obj).name);
}
return false;
}

@Override
public int hashCode() {
return this.toString().hashCode();
}

@Override
public String toString() {
return name;
}
}
加法跟原來差不多，interpret接受參數Context，如有需要從Context中讀取數據 
package interpret.refactor;

public class Plus extends AbstractExpression {

private AbstractExpression left;

private AbstractExpression right;

Plus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
this.left = left;
this.right = right;
}

@Override
public int interpret(Context ctx) {
return left.interpret(ctx) + right.interpret(ctx);
}

@Override
public String toString() {
return "(" + left.toString() + " + " + right.toString() + ")";
}
}
package interpret.refactor;

public class Minus extends AbstractExpression {

private AbstractExpression left;

private AbstractExpression right;

Minus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
this.left = left;
this.right = right;
}

@Override
public int interpret(Context ctx) {
return left.interpret(ctx) - right.interpret(ctx);
}

@Override
public String toString() {
return "(" + left.toString() + " - " + right.toString() + ")";
}
}
環境類Context 內部包含一個 private Map<Variable, Integer> map，用於存儲變數數據信息 key為Variable 提供設置和獲取方法 
package interpret.refactor;

import java.util.HashMap;

import java.util.Map;

public class Context {

private Map<Variable, Integer> map = new HashMap<Variable, Integer>();

public void assign(Variable var, Integer value) {
map.put(var, new Integer(value));
}

public int getValue(Variable var) {
Integer value = map.get(var);
return value;
}
}
package interpret.refactor;


public class Client {

public static void main(String[] args) {

Context ctx = new Context();

Variable a = new Variable("a");
Variable b = new Variable("b");
Variable c = new Variable("c");
Variable d = new Variable("d");
Variable e = new Variable("e");
Value v = new Value(1);

ctx.assign(a, 1);
ctx.assign(b, 2);
ctx.assign(c, 3);
ctx.assign(d, 4);
ctx.assign(e, 5);

AbstractExpression expression = new Minus(new Plus(new Plus(new Plus(a, b), c), d), e);

System.out.println(expression + "= " + expression.interpret(ctx));
}
}

 

image_5c108d54_6b15 上述客戶端測試代碼中，我們定義了a，b，c，d，e 五個變數 通過Context賦值，初始化為1，2，3，4，5 然後構造了公式，計算結果 後續只需要設置變數的值即可套用這一公式 如果需要變動公式就修改表達式，如果設置變數就直接改變值即可 這種模式就實現了真正的靈活自由，只要是加減法運算，必然能夠運算 不再需要固定的參數列表或者函數式介面，非常靈活    另外對於抽象語法樹的生成，你也可以轉變形式 比如下麵我寫了一個簡單的方法用於將字元串轉換為抽象語法樹的Expression 
/**
   * 解析字元串,構造抽象語法樹 方法只是為了理解：解釋器模式 方法預設輸入為合法的字元串，沒有考慮演算法優化、效率或者不合法字元串的異常情況
   *
   * @param sInput 合法的加減法字元串 比如 1+2+3
   */
  public static AbstractExpression getAST(String sInput) {
    //接收字元串參數形如 "1+2-3"
    //將字元串解析到List valueAndSymbolList中存放
    List<String> valueAndSymbolList = new ArrayList<>();
    //先按照 加法符號 + 拆分為數組,以每個元素為單位使用 +連接起來存入List
    //如果以+ 分割內部還有減法符號 - 內部以減法符號- 分割
    //最終的元素的形式為 1,+,2,-,3
    String[] splitByPlus = sInput.split("\\+");
    for (int i = 0; i < splitByPlus.length; i++) {
      if (splitByPlus[i].indexOf("-") < 0) {
        valueAndSymbolList.add(splitByPlus[i]);
      } else {
        String[] splitByMinus = splitByPlus[i].split("\\-");
        for (int j = 0; j < splitByMinus.length; j++) {
          valueAndSymbolList.add(splitByMinus[j]);
          if (j != splitByMinus.length - 1) {
            valueAndSymbolList.add("-");
          }
        }
      }
      if (i != splitByPlus.length - 1) {
        valueAndSymbolList.add("+");
      }
    }
    //經過前面處理元素的形式為 1,+,2,-,3
    //轉換為抽象語法樹的形式
    AbstractExpression leftExpression = null;
    AbstractExpression rightExpression = null;
    int k = 0;
    while (k < valueAndSymbolList.size()) {
      if (!valueAndSymbolList.get(k).equals("+") && !valueAndSymbolList.get(k).equals("-")) {
        rightExpression = new Value(Integer.parseInt(valueAndSymbolList.get(k)));
        if (leftExpression == null) {
          leftExpression = rightExpression;
        }
      }
      k++;
      if (k < valueAndSymbolList.size()) {
        rightExpression = new Value(Integer.parseInt(valueAndSymbolList.get(k + 1)));
        if (valueAndSymbolList.get(k).equals("+")) {
          leftExpression = new Plus(leftExpression, rightExpression);
        } else if (valueAndSymbolList.get(k).equals("-")) {
          leftExpression = new Minus(leftExpression, rightExpression);
        }
        k++;
      }
    }
    return leftExpression;
  }
  通過上面的這個方法,我們就可以直接解析字元串了 image_5c108d55_271c

總結

解釋器模式是用於解析一種“語言”，對於使用頻率較高的，模式、公式化的場景，可以考慮使用解釋器模式。 比如正則表達式，將“匹配”這一語法，定義為一種語言 瀏覽器對於HTML的解析，將HTML文檔的結構定義為一種語言 我們上面的例子，將加減運算規則定義為一種語言 所以，使用解釋器模式要註意“高頻”“公式”“格式”這幾個關鍵詞   解釋器模式將語法規則抽象的表述為類 解釋器模式為自定義語言的設計和實現提供了一種解決方案，它用於定義一組文法規則並通過這組文法規則來解釋語言中的句子。   解釋器模式非常容易擴展，如果增加新的運算符，比如乘除，只需要增加新的非終結符表達式即可 改變和擴展語言的規則非常靈活 非終結符表達式是由終結符表達式構成，基本上需要藉助於嵌套，遞歸，所以代碼本身一般比較簡單 像我們上面那樣， Plus和Minus 的代碼差異很小   如果語言比較複雜，顯然，就會需要定義大量的類來處理 解釋器模式中大量的使用了遞歸嵌套，所以說它的性能是很有問題的，如果你的系統是性能敏感的，你就更要慎重的使用   據說解釋器模式在實際的系統開發中使用得非常少，另外也有一些開源工具 Expression4J、MESP（Math Expression String Parser）、Jep 所以不要自己實現   另外還需要註意的是，從我們上面的示例代碼中可以看得出來 解釋器模式的重點在於AbstractExpression、TerminalExpression、NoneTerminalExpression的提取抽象 也就是對於文法規則的映射轉換 而至於如何轉換為抽象語法樹，這是客戶端的責任 我們的示例中可以通過new不斷地嵌套創建expression對象 也可以通過方法解析抽象語法樹，都可以根據實際場景處理 簡言之，解釋器模式不關註抽象語法樹的創建，僅僅關註解析處理   所以個人看法： 但凡你的問題場景可以抽象為一種語言，也就是有規則、公式，有套路就可以使用解釋器模式 不過如果有替代方法，能不用就不用 如果非要用，你也不要自己寫 原文地址:解釋器模式 Interpreter 行為型 設計模式（十九）  
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