设计模式学习笔记——解释器模式

原文：http://blog.csdn.net/hackerain/article/details/7570904

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：

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/* 

 * 抽象表达式类 

 */  

public abstract class Expression {  

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

}  

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/* 

 * 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);  

    }  

  

}  

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/* 

 * 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);  

  

}  

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/* 

 * 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);  

    }  

  

}  

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/* 

 * 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);  

    }  

  

}  

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/* 

 * 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);  

    }  

}  

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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。