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设计模式笔记20：解释器模式(Interpreter Pattern)

2012-06-18 22:02 477 查看

一、解释器模式的内容

解释器模式(Interpreter Pattern) ：定义语言的文法，并且建立一个解释器来解释该语言中的句子，这里的“语言”意思是使用规定格式和语法的代码，它是一种类行为型模式。

如果在系统中某一特定类型的问题发生的频率很高，此时可以考虑将这些问题的实例表述为一个语言中的句子，因此可以构建一个解释器，该解释器通过解释这些句子来解决这些问题。
解释器模式描述了如何构成一个简单的语言解释器，主要应用在使用面向对象语言开发的编译器中。

二、解释器模式的结构



[align=left]参与者：[/align]

AbstractException:抽象表达式，声明一个抽象的解释操作，这个接口为抽象语法树中所有的节点所共享。
TerminalExpression:终结符表达式。实现与文法中的终结符相关联的解释操作，一个句子中的每个终结符需要该类的一个实例。
NonterminalExpression:非终结符表达式，对于文法中的每一条规则R：：=R1R2..都需要一个NonterminalExpression类。为从R1到Rn的每个符号都维护一个AbstractExpression类型的实例变量。为文法中的非终结符实现解释操作，解释操作一般要递归地调用表示R1到Rn的那些对象的解释操作。
Context：上下文，包含解释器需要解释的全局信息。
Client:构建表示该文法定义的语言中一个特定的句子的抽象语法树。该抽象语法树由NonterminalExpression和TerminalExpression的实例装配而成。调用解释操作等。

[align=left]协作:[/align]

Client构建一个句子，它是NonterminalExpression和TerminalExpress的实例的一个抽象语法树，然后初始化上下文并调用解释操作。然后初始化上下文并调用解释操作。
每一个非终结符表达式节点定义相应子表达式的解释操作。而各终结符表达式的解释操作构成了递归的基础。
每一节点的解释操作用上下文来存储和访问解释器的状态。

三、解释器模式示例代码

代码一、
public abstract class AbstractExpression
{
public abstract void interpret(Context ctx);
}

public class TerminalExpression extends AbstractExpression
{
public void interpret(Context ctx)
{
//对于终结符表达式的解释操作
}
}

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)
{
//递归调用每一个组成部分的interpret()方法
//在递归调用时指定组成部分的连接方式，即非终结符的功能
}
}
代码二、
AbstractException:抽象表达式

public interface Node
{
public int interpret();
}
NonterminalExpression:非终结符表达式

public abstract class SymbolNode implements Node
{
protected Node left;
protected Node right;

public SymbolNode(Node left,Node right)
{
this.left=left;
this.right=right;
}
}

TerminalExpression:终结符表达式

public class ValueNode implements Node
{
private int value;

public ValueNode(int value)
{
this.value=value;
}

public int interpret()
{
return this.value;
}
}


public class DivNode extends SymbolNode
{
public DivNode(Node left,Node right)
{
super(left,right);
}

public int interpret()
{
return super.left.interpret() / super.right.interpret();
}
}


public class ModNode extends SymbolNode
{
public ModNode(Node left,Node right)
{
super(left,right);
}

public int interpret()
{
return super.left.interpret() % super.right.interpret();
}
}


public class MulNode extends SymbolNode
{
public MulNode(Node left,Node right)
{
super(left,right);
}

public int interpret()
{
return super.left.interpret() * super.right.interpret();
}
}
Context

import java.util.*;

public class Calculator
{
private String statement;
private Node node;

public void build(String statement)
{
Node left=null,right=null;
Stack stack=new Stack();

String[] statementArr=statement.split(" ");

for(int i=0;i<statementArr.length;i++)
{
if(statementArr[i].equalsIgnoreCase("*"))
{
left=(Node)stack.pop();
int val=Integer.parseInt(statementArr[++i]);
right=new ValueNode(val);
stack.push(new MulNode(left,right));
}
else if(statementArr[i].equalsIgnoreCase("/"))
{
left=(Node)stack.pop();
int val=Integer.parseInt(statementArr[++i]);
right=new ValueNode(val);
stack.push(new DivNode(left,right));
}
else if(statementArr[i].equalsIgnoreCase("%"))
{
left=(Node)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=(Node)stack.pop();
}

public int compute()
{
return node.interpret();
}
}
Client
public class Client
{
public static void main(String args[])
{
String statement = "3 * 2 * 4 / 6 % 5";

Calculator calculator = new Calculator();

calculator.build(statement);

int result = calculator.compute();

System.out.println(statement + " = " + result);
}
}

四、解释器模式分析

解释器模式描述了如何为简单的语言定义一个文法，如何在该语言中表示一个句子，以及如何解释这些句子。

文法规则实例：

expression ::= value | symbol

symbol ::= expression '+' expression | expression '-' expression

value ::= an integer //一个整数值

在文法规则定义中可以使用一些符号来表示不同的含义，如使用“|”表示或，使用“{”和“}”表示组合，使用“*”表示出现0次或多次等，其中使用频率最高的符号是表示或关系的“|” 。
抽象语法树：

除了使用文法规则来定义一个语言，在解释器模式中还可以通过一种称之为抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)的图形方式来直观地表示语言的构成，每一棵抽象语法树对应一个语言实例。
抽象语法树描述了如何构成一个复杂的句子，通过对抽象语法树的分析，可以识别出语言中的终结符和非终结符类。

在解释器模式中，每一种终结符和非终结符都有一个具体类与之对应，正因为使用类来表示每一个语法规则，使得系统具有较好的扩展性和灵活性。

五、解释器模式扩展

数学表达式解析器简介

在实际项目开发中如果需要解析数学公式，无须再运用解释器模式进行设计，可以直接使用一些第三方解析工具包，它们可以统称为数学表达式解析器(Math Expression Parser, MEP)，如Expression4J、Jep、JbcParser、Symja、Math Expression String Parser(MESP)等来取代解释器模式，它们可以方便地解释一些较为复杂的文法，功能强大，且使用简单，效率较好。
Expression4J：Expression4J是一个基于Java的开源框架，它用于对数学表达式进行操作，是一个数学公式解析器，在Expression4J中可以将数学表达式存储在字符串对象中。Expression4J是高度定制的，用户可以自定义文法，其主要功能包括实数和复数的基本数学运算，支持基本数学函数、复杂函数以及用户使用Java语言自定义的函数和文法，还可以定义函数目录（函数集）、支持XML配置文件等。 http://www.expression4j.org/
Jep：Jep(Java Mathematical Expression Parser)是一个用于解析和求解数学表达式的Java类库。通过使用Jep提供的包，我们可以输入一个以字符串表示的任意数学公式，然后立即对其进行求解。Jep支持用户自定义变量、常量和自定义函数，同时还包含了大量通用的数学函数和常量。 http://www.singularsys.com/jep/

六、解释器模式优缺点

解释器模式的优点

易于改变和扩展文法。
易于实现文法。
增加了新的解释表达式的方式。

解释器模式的缺点

对于复杂文法难以维护。
执行效率较低。
应用场景很有限。

七、解释器模式适用环境

在以下情况下可以使用解释器模式：

可以将一个需要解释执行的语言中的句子表示为一个抽象语法树。
一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来进行表达。
文法较为简单。
效率不是关键问题。

八、解释器模式应用

(1) 解释器模式在使用面向对象语言实现的编译器中得到了广泛的应用，如Smalltalk语言的编译器。

(2) 目前有一些基于Java抽象语法树的源代码处理工具，如在Eclipse中就提供了Eclipse AST，它是Eclipse JDT的一个重要组成部分，用来表示Java语言的语法结构，用户可以通过扩展其功能，创建自己的文法规则。
(3) 可以使用解释器模式，通过C++、Java、C#等面向对象语言开发简单的编译器，如数学表达式解析器、正则表达式解析器等，用于增强这些语言的功能，使之增加一些新的文法规则，用于解释一些特定类型的语句。


Interpreter (recognizeable
by behavioral methods returning a structurally different
instance/type of the given instance/type; note that parsing/formatting is not part of the pattern, determining the pattern and how to apply it is)

java.util.Pattern


java.text.Normalizer


All subclasses of 
java.text.Format


All subclasses of 
javax.el.ELResolver


九、参考资料

http://tianli.blog.51cto.com/190322/41998/

《设计模式》刘伟主编清华大学出版社
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