设计模式——解释器模式

一、解释器模式

1.1 概述

在软件开发中，会遇到有些问题多次重复出现，而且有一定的相似性和规律性。如果将它们归纳成一种简单的语言，那么这些问题实例将是该语言的一些句子，这样就可以用“编译原理”中的解释器模式来实现了。

虽然使用解释器模式的实例不是很多，但对于满足以上特点，且对运行效率要求不是很高的应用实例，如果用解释器模式来实现，其效果是非常好的，本文将介绍其工作原理与使用方法。

1.2 定义

(1) 给分析对象定义一个语言，并定义该语言的文法表示。
(2) 再设计一个解析器来解释语言中的句子。也就是说，用编译语言的方式来分析应用中的实例。
(3) 文法是用于描述语言的语法结构的形式规则。

expression ::= value | plus | minus
plus ::= expression ‘+’ expression   
minus ::= expression ‘-’ expression  
value ::= integer

这里的符号“::=”表示“定义为”的意思

1.3 结构

• 抽象表达式（Abstract Expression）角色：定义解释器的接口，约定解释器的解释操作，主要包含解释方法 interpret()。
• 终结符表达式（Terminal Expression）角色：是抽象表达式的子类，用来实现文法中与终结符相关的操作，文法中的每一个终结符都有一个具体终结表达式与之相对应。
• 非终结符表达式（Nonterminal Expression）角色：也是抽象表达式的子类，用来实现文法中与非终结符相关的操作，文法中的每条规则都对应于一个非终结符表达式。
• 环境（Context）角色：通常包含各个解释器需要的数据或是公共的功能，一般用来传递被所有解释器共享的数据，后面的解释器可以从这里获取这些值。
• 客户端（Client）：主要任务是将需要分析的句子或表达式转换成使用解释器对象描述的抽象语法树，然后调用解释器的解释方法，当然也可以通过环境角色间接访问解释器的解释方法。

1.4 案例

设计实现加减法的软件

//抽象表达式
public abstract class AbstractExpression {
    public abstract int interpret(Context context);
}

//终结符表达式角色
public class Value extends AbstractExpression {
    private int value;

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

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

    @Override
    public String toString() {
        return new Integer(value).toString();
    }
}

//非终结符表达式角色  加法表达式
public class Plus extends AbstractExpression {
    private AbstractExpression left;
    private AbstractExpression right;

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

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

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

///非终结符表达式角色 减法表达式
public class Minus extends AbstractExpression {
    private AbstractExpression left;
    private AbstractExpression right;

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

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

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

//终结符表达式角色 变量表达式
public class Variable extends AbstractExpression {
    private String name;

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

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

    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
}

//环境类
public class Context {
    private Map<Variable, Integer> map = new HashMap<Variable, Integer>();

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

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

//测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = 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);

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

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

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

1.5 优缺点

优点

• 扩展性好。由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则，因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。
• 容易实现。在语法树中的每个表达式节点类都是相似的，所以实现其文法较为容易。

缺点

• 执行效率较低。解释器模式中通常使用大量的循环和递归调用，当要解释的句子较复杂时，其运行速度很慢，且代码的调试过程也比较麻烦。
• 会引起类膨胀。解释器模式中的每条规则至少需要定义一个类，当包含的文法规则很多时，类的个数将急剧增加，导致系统难以管理与维护。
• 可应用的场景比较少。在软件开发中，需要定义语言文法的应用实例非常少，所以这种模式很少被使用到。

1.6 使用场景

• 当语言的文法较为简单，且执行效率不是关键问题时。
• 当问题重复出现，且可以用一种简单的语言来进行表达时。
• 当一个语言需要解释执行，并且语言中的句子可以表示为一个抽象语法树的时候，如 XML 文档解释。

解释器模式在实际的软件开发中使用比较少，因为它会引起效率、性能以及维护等问题。如果碰到对表达式的解释，在 Java 中可以用 Expression4J 或 Jep 等来设计。