21.解析器模式（Interpreter Pattern）

1.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句子。
属于行为类模式。

 

2.解释器模式的使用场景

• 重复发生的问题可以使用解释器模式：比如根据用户输入的公式进行加减乘除四则运算，但是他们输入的公式每次都不同，有时是a+b-c*d，有时是a*b+c-d，等等等等个，公式千变万化，但是都是由加减乘除四个非终结符来连接的，这时我们就可以使用解释器模式。
• 一个简单语法需要解释的场景：你看看下面给出的例子，非终结表达式，文法规则越多，复杂度越高，而且类间还要进行递归调用。因此解释器模式一般用来解析比较标准的字符集，例如sql语法分析，不过该部分逐渐被专用工具所取代。

在实际开发工作中经常会有客户要求计算公式他们自己制定，我们只要按照他们的公式和提供的数据进行运算就行了，那么这个业务逻辑也就不能写死了。
下面让我们工具加减乘除四则运算的例子来看看何谓解释器模式（四则比较麻烦，例子只写加减操作）：

 

package _21InterpretePattern;

import java.util.HashMap;

/**
 * 抽象表达式
 */
public abstract class Expression {
	
	/**
	 * 解析公式和数值，其中var中的key是公式的参数，value值是具体的数字
	 * 负责对传递进来的参数和值进行解析和匹配，其中key是表达式a+b+c中的a、b、c，value是运算时取得的值
	 */
	// 如果是终结符表达式，那么此方法将获取参数的值
	// 如果是非终结符表达式，那么此方法将进行运算，比如加减
	public abstract int interpreter(HashMap var);
}

 

package _21InterpretePattern;

import java.util.HashMap;

/**
 * 变量解析器
 * 终结符表达式
 */
public class VarExpression extends Expression {
	
	private String key;

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

	// 从map中取得值
	@Override
	public int interpreter(HashMap var) {
		return var.get(key);
	}

}

 

package _21InterpretePattern;

/**
 * 抽象运算符解析器
 * 非终结符表达式
 */
public abstract class SymbolExpression extends Expression {
	
	// 每个运算符都有左右两个参数进行运算，因此抽象到父类中
	protected Expression left;
	protected Expression right;

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

}

 

package _21InterpretePattern;

import java.util.HashMap;

/**
 * 加法解析器
 * interpreter方法处理加法运算
 */
public class AddExpression extends SymbolExpression {

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

	// 进行加法运算
	@Override
	public int interpreter(HashMap var) {
		return super.left.interpreter(var) + super.right.interpreter(var);
	}

}

 

package _21InterpretePattern;

import java.util.HashMap;

/**
 * 减法解析器
 * interpreter方法处理减法运算
 */
public class SubExpression extends SymbolExpression {

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

	// 进行减法运算
	@Override
	public int interpreter(HashMap var) {
		return super.left.interpreter(var) - super.right.interpreter(var);
	}

}

 

package _21InterpretePattern;

import java.util.HashMap;
import java.util.Stack;

/**
 * 对输入的表达式进行解析，并计算
 */
public class Context {

	// 定义表达式，最后拿到是一个运算解析器，比如X+Y格式的，其中X可能又是由A+B的运算解析器组成
	// 只有最底层的解析器才是变量解析器，也就是终结符表达式
	// 此参数最终得到的肯定是非终结表达式
	private Expression expression;
	
	/**
	 * 分析用户输入的表达式
	 */
	public void analyse(String expStr) {
		// 定义一个栈，安排运算的先后顺序
		Stack stack = new Stack();
		char[] charArray = expStr.toCharArray();
		Expression left = null;
		Expression right = null;
		for(int i=0; i var)
	{
		return expression.interpreter(var);
	}
}

 

package _21InterpretePattern;

import java.util.HashMap;

/**
 * 场景类
 */
public class Client {

	/**
	 * @param args
	 */
	public static void main(String[] args) {
		String expStr = "a+b-c+d";
		HashMap var = new HashMap();
		var.put("a", 1);
		var.put("b", 2);
		var.put("c", 2);
		var.put("d", 4);
		
		Context context = new Context();
		// 先解析运算表达式
		context.analyse(expStr);
		// 进行运算
		System.out.println(context.run(var));
	}

}

 

3.解释器模式的四个角色

• AbstractExpression抽象解释器：声明一个所有具体表达式都要实现的抽象接口（或者抽象类），接口中主要是一个interpreter()方法，称为解释操作。具体解释任务由它的各个实现类来完成，具体的解释器分别由终结符解释器TerminalExpression和非终结符解释器NonterminalExpression完成。
• TerminalExpression终结符表达式：实现与文法中的元素相关联的解释操作，通常一个解释器模式中只有一个终结符表达式，但有多个实例，对应不同的终结符。终结符一半是文法中的运算单元，比如有一个简单的公式R=R1+R2，在里面R1和R2就是终结符，对应的解析R1和R2的解释器就是终结符表达式。
• NonterminalExpression非终结符表达式：文法中的每条规则对应于一个非终结符表达式，非终结符表达式一般是文法中的运算符或者其他关键字，比如公式R=R1+R2中，+就是非终结符，解析+的解释器就是一个非终结符表达式。非终结符表达式根据逻辑的复杂程度而增加，原则上每个文法规则都对应一个非终结符表达式。
• Context环境角色：这个角色的任务一般是用来存放文法中各个终结符所对应的具体值，比如R=R1+R2，我们给R1赋值100，给R2赋值200。这些信息需要存放到环境角色中，很多情况下我们使用Map来充当环境角色就足够了。

 

4.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，修改语法规则只需要修改相应的非终结符就可以了，若扩展语法，只需要增加非终结符类就可以了。

 

5.解释器模式的缺点

• 解释器模式会引起类的膨胀：每个语法都需要产生一个非终结符表达式，语法规则比较复杂时，就可能产生大量的类文件，为维护带来非常多的麻烦。
• 解释器模式采用递归调用方法：每个非终结符表达式只关心与自己相关的表达式，每个表达式需要知道最终的结果，必须通过一层一层的剥茧，无论是面向对象的语言还是面向过程的语言，递归都是一个不推荐的方式（只在必要条件下使用），它将导致调试非常复杂。想想看，如果要排查一个错误，我们是不是要一个个断点调试下去，直至最小的语法单元。
• 解释器模式使用了大量的循环和递归：效率是一个不容忽视的问题。特别是用于解释一个解析复杂、冗长的语法时，效率是难以忍受的。

6.解释器模式的注意事项

尽量不要在重要模块中使用解释器模式，否则维护会是一个很大的问题。在项目中可以使用shell、JRuby、Groovy等脚本语言来代替解释器模式、弥补Java编译型语言的不足。我们在一个银行的分析型项目中就采用了JRuby进行运算处理，避免使用解释器模式的四则运算，效率和性能各方面表现良好。

解释器模式在实际的系统开发中使用的非常少，因为它会引起效率、性能以及维护等问题，一般在大中型的框架型项目中能找到它的身影，如一些数据分析工具、报表设计工具、科学计算工具等，如果你确实遇到“一种特定类型的问题发生的频率足够高”的情况，准备使用解释器模式时，可以考虑一下Expression4J、MESP、Jep 等开源的解析工具包，功能都非常强大，而且非常容易使用，效率也不错，实现大多数的数学运算完全没有问题，自己没有必要重头开始编写解释器。