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设计模式学习笔记——解释器模式

2012-05-16 01:17 459 查看
定义:

给定一门语言,定义它的文法的一种表示,并定义一个解释器,该解释器使用该表示来解释语言中的句子。

这个模式个人感觉比较难理解,需要借助例子来消化,先来看一个例子:即四则运算的模型公式,所谓模型公式就是可以自定义的一个表达式,自定义好表达式之后,对参数进行赋值,就可以计算出结果,关键是这个公式是可以自定义的,只要符合规定的文法即可,输入参数,计算结果。这就是一个解释器模式,输入的表达式就是定义中的“表示”,计算结果是由“解释器”执行的,所谓的解释器就是将输入的表达式进行解析,定义好运算顺序,然后计算结果。我们这里使用一个简单的例子,即只有加减法的运算,看类图:



这里面有几个角色需要说一下:

Expression:抽象表达式,具体的表达式由其子类完成,其子类分为两种,一种是终结型的表达式,即表达式中最小的数据单元,不能再被拆分的数据单元,再一种是非终结型的表达式,文法中的每条规则对应一个非终结表达式,非终结表达式根据逻辑的复杂程度而增加。

VarExpression:终结型表达式,其中封装的是最小数据单元的表达式,如a+b-c中的a、b、c 。

SymbolExpression:非终结型表达式,它是根据运算符号进行封装的,所谓非终结型表达式,就是由几个终结型表达式和运算符号组合成的表达式,其具体的是哪种表达式,是由其子类去实现的。

Calculator:是对解释器的封装,使其不对外暴露太多,通过构造函数,将表达式解析成对象表示的表达式。

来看一下源代码:

/*
* 抽象表达式类
*/
public abstract class Expression {
public abstract int interpreter(HashMap<String,Integer> var);
}
/*
* 变量解析器,将运算变量进行封装,运算变量的值存储在外部的HashMap中,
* 此处通过interpreter()方法从map中取出来
*/
public class VarExpression extends Expression {
private String key;

public VarExpression(String key){
this.key=key;
}

//根据键值,从map中取出数值
@Override
public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {
return var.get(this.key);
}

}
/*
* 抽象运算符号解析器,运算符号只关心左右两边的表达式,
* 对左右两边表达式具体进行什么操作是由子类去实现interpreter()方法来体现的
*/
public abstract class SymbolExpression extends Expression {

//运算符号左右两边的运算表达式
protected Expression left;
protected Expression right;

public SymbolExpression(Expression left, Expression right){
this.left=left;
this.right=right;
}

@Override
public abstract int interpreter(HashMap<String, Integer> var);

}
/*
* 加法解析器
*/
public class AddExpression extends SymbolExpression {

public AddExpression(Expression left, Expression right) {
super(left, right);
}

//实现表达式的加法
@Override
public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {
return super.left.interpreter(var)+super.right.interpreter(var);
}

}
/*
* 减法解析器
*/
public class SubExpression extends SymbolExpression {

public SubExpression(Expression left, Expression right) {
super(left, right);
}

@Override
public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {
return super.left.interpreter(var)-super.right.interpreter(var);
}

}
/*
* 解析器封装类
*/
public class Calculator {
//定义最终的表达式,即用对象表示的最终的表达式
private Expression expression;

//构造函数传参,并解析
public Calculator(String expStr){
//定义一个栈,用来安排运算的先后顺序
Stack<Expression> stack=new Stack<Expression>();

//表达式拆分成字符数组
char[] charArray=expStr.toCharArray();

Expression left=null;
Expression right=null;

for(int i=0;i<charArray.length;i++){
switch(charArray[i]){
case '+':
left=stack.pop();//从栈中去出运算符号左边的表达式

//从字符数组中取出运算符合右边的第一个字符,并将其封装成VarExpression对象
right=new VarExpression(String.valueOf(charArray[++i]));

stack.push(new AddExpression(left,right));//将组成的新的表达式压入栈中
break;
case '-':
left=stack.pop();//从栈中去出运算符号左边的表达式

//从字符数组中取出运算符合右边的第一个字符,并将其封装成VarExpression对象
right=new VarExpression(String.valueOf(charArray[++i]));

stack.push(new SubExpression(left,right));//将组成的新的表达式压入栈中
break;
default:
stack.push(new VarExpression(String.valueOf(charArray[i])));//公式中的变量
}
}
this.expression=stack.pop();//将最终的运算结果弹出
}

//将变量和变量对应的值传递进球,进行运算,这个运算是一个递归的运算
public int run(HashMap<String,Integer> var){
return this.expression.interpreter(var);
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {

//获得一个表达式
String expStr=getExpStr();

//对表达式进行赋值,保存在HashMap中
HashMap<String,Integer> var=getValue(expStr);

//解析表达式,将表达式封装成一个对象表示的表达式
Calculator cal=new Calculator(expStr);

//对象表达式进行计算
System.out.println("运算结果为:"+expStr+"="+cal.run(var));
}

//输入表达式
public static String getExpStr() throws IOException{
System.out.print("输入表达式:");
return (new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))).readLine();
}

//对表达式赋值
public static HashMap<String,Integer> getValue(String expStr) throws IOException{

HashMap<String,Integer> map=new HashMap<String,Integer>();

for(char ch:expStr.toCharArray()){
if(ch!='+' && ch!='-'){
if(!map.containsKey(String.valueOf(ch))){
System.out.print("输入"+ch+"的值:");
String value=(new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))).readLine();
map.put(String.valueOf(ch), Integer.parseInt(value));
}
}
}
return map;
}
}


解释器模式的优点:

解释器是一个简单的语法分析工具,它最显著的优点就是扩展性,修改语法规则只需修改相应的非终结符表达式就可以了,若要扩展语法,则只要增加非终结符类就可以了。

解释器模式的缺点:

1、当语法规则比较复杂时,会引起类膨胀,难以维护。

2、解释器模式采用的是递归调用方法,即在对最终封装好的对象表达式进行计算时,是一层一层递归的去计算的,不仅难调试,效率也不高。

使用场景:

1、即基本的数据要素是相同的,但是组织他们的格式却不相同,则可以使用解释器模式。

2、一个简单语法需要解释的场景。

PS:当需要使用解释器模式时,可以考虑一下现成的解析工具,比如Expression4J,MESP(Math Expression String Parser),Jep等开源的解析工具,效率不错,可以实现大多数的数学运算。
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