设计模式： 解释器模式

解释器模式是用来描述如何构建一个简单的“语言”解释器。比起命令模式，解释器模式更加小众，只在一些特定的领域会被用到，比如编译器、规则引擎、正则表达式。

原理

解释器模式的英文翻译是 Interpreter Design Pattern。定义：解释器模式为某个语言定义它的语法（或者叫文法）表示，并定义一个解释器用来处理这个语法。

• 这里的“语言”不仅仅指我们平时说的中、英、日、法等各种语言。从广义上来讲，只要是能承载信息的载体，我们都可以称之为“语言”，比如，古代的结绳记事、盲文、哑语、摩斯密码等。
• 要想了解“语言”表达的信息，我们就必须定义相应的语法规则。这样，书写者就可以根据语法规则来书写“句子”（专业点的叫法应该是“表达式”），阅读者根据语法规则来阅
  读“句子”，这样才能做到信息的正确传递。而解释器模式，其实就是用来实现根据语法规则解读“句子”的解释器。

举个例子。假设我们定义了一个新的加减乘除计算“语言”，语法规则如下：

• 运算符只包含加、减、乘、除，并且没有优先级的概念；
• 表达式（也就是前面提到的“句子”）中，先书写数字，后书写运算符，空格隔开；
• 按照先后顺序，取出两个数字和一个运算符计算结果，结果重新放入数字的最头部位置，循环上述过程，直到只剩下一个数字，这个数字就是表达式最终的计算结果

实战

计算器

我们举个例子来解释一下上面的语法规则。比如“8 3 2 4 - + *”这样一个表达式，我们按照上面的语法规则来处理，取出数字“83”和“-”运算符，计算得到 5，于是表达式就变成了“ 5 2 4 + * ”。然后，我们再取出“ 5 2 ”和“ + ”运算符，计算得到 7，表达式就变成了“7 4 *”。最后，我们取出“ 7 4”和“ * ”运算符，最终得到的结果就是 28。

看懂了上面的语法规则，我们将它用代码实现出来，如下所示

public class ExpressionInterpreter {
	private Deque<Long> numbers = new LinkedList<>();

	public long interpret(String expression) {
		String[] elements = expression.split(" ");
		int length = elements.length;
		for (int i = 0; i < (length+1)/2; ++i) {
			numbers.addLast(Long.parseLong(elements[i]));
		}
		
		for (int i = (length+1)/2; i < length; ++i) {
		String operator = elements[i];
		boolean isValid = "+".equals(operator) || "-".equals(operator)
		|| "*".equals(operator) || "/".equals(operator);
			if (!isValid) {
				throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
			}
			long number1 = numbers.pollFirst();
			long number2 = numbers.pollFirst();
			long result = 0;
			if (operator.equals("+")) {
				result = number1 + number2;
			} else if (operator.equals("-")) {
				result = number1 - number2;
			} else if (operator.equals("*")) {
				result = number1 * number2;
			} else if (operator.equals("/")) {
				result = number1 / number2;
			}
			numbers.addFirst(result);
		}
		
		if (numbers.size() != 1) {
			throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
		}
		return numbers.pop();
	}
}

在上面的代码实现中，语法规则的解析逻辑（第 23、25、27、29 行 main函数中的if逻辑）都集中在一个函数中，对于简单的语法规则的解析，这样的设计就足够了。但是，对于复杂的语法规则的解析，逻辑复杂，代码量多，所有的解析逻辑都耦合在一个函数中，这样显然是不合适的。这个时候，我们就要考虑拆分代码，将解析逻辑拆分到独立的小类中。

该怎么拆分呢？我们可以借助解释器模式。

解释器模式的代码实现比较灵活，没有固定的模板。它的代码实现的核心思想，就是将语法解析的工作拆分到各个小类中，以此来避免大而全的解析类。一般的做法是，将语法规则拆分成一些小的独立的单元，然后对每个单元进行解析，最终合并为对整个语法规则的解析。

前面定义的语法规则有两类表达式，一类是数字，一类是运算符，运算符又包括加减乘除。利用解释器模式，我们把解析的工作拆分到 NumberExpression、AdditionExpression、SubstractionExpression、MultiplicationExpression、DivisionExpression 这样五个解析类中。

按照这个思路，我们对代码进行重构，重构之后的代码如下所示。

public interface Expression {
	long interpret();
}

public class NumberExpression implements Expression {
	private long number;
	
	public NumberExpression(long number) {
		this.number = number;
	}
	
	public NumberExpression(String number) {
		this.number = Long.parseLong(number);
	}
	
	@Override
	public long interpret() {
		return this.number;
	}
}
public class AdditionExpression implements Expression {
	private Expression exp1;
	private Expression exp2;
	
	public AdditionExpression(Expression exp1, Expression exp2) {
		this.exp1 = exp1;
		this.exp2 = exp2;
	}
	
	@Override
	public long interpret() {
		return exp1.interpret() + exp2.interpret();
	}
}

// SubstractionExpression/MultiplicationExpression/DivisionExpression与Addition
public class ExpressionInterpreter {

private Deque<Expression> numbers = new LinkedList<>();

public long interpret(String expression) {
	String[] elements = expression.split(" ");
	int length = elements.length;
	for (int i = 0; i < (length+1)/2; ++i) {
		numbers.addLast(new NumberExpression(elements[i]));
	}
	for (int i = (length+1)/2; i < length; ++i) {
	String operator = elements[i];
	boolean isValid = "+".equals(operator) || "-".equals(operator)
	|| "*".equals(operator) || "/".equals(operator);
		if (!isValid) {
			throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
		}
		
		Expression exp1 = numbers.pollFirst();
		Expression exp2 = numbers.pollFirst();
		Expression combinedExp = null;
		if (operator.equals("+")) {
			combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
		} else if (operator.equals("-")) {
			combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
		} else if (operator.equals("*")) {
			combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
		} else if (operator.equals("/")) {
			combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
		}
		long result = combinedExp.interpret();
		numbers.addFirst(new NumberExpression(result));
	}
	if (numbers.size() != 1) {
		throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
	}
	return numbers.pop().interpret();
  }
}

自定义接口告警规则功能

在我们平时的项目开发中，监控系统非常重要，它可以时刻监控业务系统的运行情况，及时将异常报告给开发者。比如，如果每分钟接口出错数超过 100，监控系统就通过短信、微信、邮件等方式发送告警给开发者。

一般来说，监控系统支持开发者自定义告警规则，比如我们可以用下面这样一个表达式，来表示一个告警规则，它表达的意思是：每分钟API 总出错数超过 100 或者每分钟 API 总调用数超过 10000 就触发告警。

api_error_per_minute > 100 || api_count_per_minute > 10000

在监控系统中，告警模块只负责根据统计数据和告警规则，判断是否触发告警。至于每分钟API 接口出错数、每分钟接口调用数等统计数据的计算，是由其他模块来负责的。其他模块将统计数据放到一个 Map 中（数据的格式如下所示），发送给告警模块。接下来，我们只关注告警模块。

Map<String, Long> apiStat = new HashMap<>();
apiStat.put("api_error_per_minute", 103);
apiStat.put("api_count_per_minute", 987);

我们假设自定义的告警规则只包含“||、&&、>、<、==”这五个运算符，其中，“>、<、==”运算符的优先级高于“||、&&”运算符，“&&”运算符优先级高于“||”。在表达式中，任意元素之间需要通过空格来分隔。除此之外，用户可
以自定义要监控的 key，比如前面的 api_error_per_minute、api_count_per_minute。

如下：

public class AlertRuleInterpreter {
	// key1 > 100 && key2 < 1000 || key3 == 200
	public AlertRuleInterpreter(String ruleExpression) {
		//TODO
	}
	
	// apiStat = new HashMap<>();
	//apiStat.put("key1", 103);
	//apiStat.put("key2", 987);
	public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
		//TODO
	}
}

public class DemoTest {
	public static void main(String[] args) {
		String rule = "key1 > 100 && key2 < 30 || key3 < 100 || key4 == 88";
		AlertRuleInterpreter interpreter = new AlertRuleInterpreter(rule);
		Map<String, Long> stats = new HashMap<>();
		stats.put("key1", 101l);
		stats.put("key3", 121l);
		stats.put("key4", 88l);
		boolean alert = interpreter.interpret(stats);
		System.out.println(alert);
	}
}

实际上，我们可以把自定义的告警规则，看作一种特殊“语言”的语法规则。我们实现一个解释器，能够根据规则，针对用户输入的数据，判断是否触发告警。利用解释器模式，我们把解析表达式的逻辑拆分到各个小类中，避免大而复杂的大类的出现。如下：

public interface Expression {
	boolean interpret(Map<String, Long> stats);
}
public class GreaterExpression implements Expression {
	private String key;
	private long value;
	
	public GreaterExpression(String strExpression) {
		String[] elements = strExpression.trim().split("\\s+");
		if (elements.length != 3 || !elements[1].trim().equals(">")) {
			throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + strExpression);
		}
		this.key = elements[0].trim();
		this.value = Long.parseLong(elements[2].trim());
	}
	
	public GreaterExpression(String key, long value) {
		this.key = key;
		this.value = value;
	}
	
	@Override
	public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
		if (!stats.containsKey(key)) {
			return false;
		}
		long statValue = stats.get(key);
		return statValue > value;
	}
}



// LessExpression/EqualExpression跟GreaterExpression代码类似，这里就省略了
public class AndExpression implements Expression {
	private List<Expression> expressions = new ArrayList<>();
	
	public AndExpression(String strAndExpression) {
		String[] strExpressions = strAndExpression.split("&&");
		for (String strExpr : strExpressions) {
			if (strExpr.contains(">")) {
				expressions.add(new GreaterExpression(strExpr));
			} else if (strExpr.contains("<")) {
				expressions.add(new LessExpression(strExpr));
			} else if (strExpr.contains("==")) {
				expressions.add(new EqualExpression(strExpr));
			} else {
				throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + strAndExpression
			}
		}
	}
	public AndExpression(List<Expression> expressions) {
		this.expressions.addAll(expressions);
	}
	
	@Override
	public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
		for (Expression expr : expressions) {
			if (!expr.interpret(stats)) {
				return false;
			}
		}
		return true;
	}
}

public class OrExpression implements Expression {
	private List<Expression> expressions = new ArrayList<>();
	
	public OrExpression(String strOrExpression) {
	    String[] andExpressions = strOrExpression.split("\\|\\|");
		for (String andExpr : andExpressions) {
			expressions.add(new AndExpression(andExpr));
		}
	}
	
	public OrExpression(List<Expression> expressions) {
		this.expressions.addAll(expressions);
	}

	@Override
	public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
		for (Expression expr : expressions) {
			if (expr.interpret(stats)) {
				return true;
			}
		}
		return false;
	}
}


public class AlertRuleInterpreter {
	private Expression expression;
	
	public AlertRuleInterpreter(String ruleExpression) {
		this.expression = new OrExpression(ruleExpression);
	}
	
	public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
		return expression.interpret(stats);
	}
}

总结

解释器模式为某个语言定义它的语法（或者叫文法）表示，并定义一个解释器用来处理这个语法。

它的代码实现的核心思想，就是将语法解析的工作拆分到各个小类中，以此来避免大而全的解析类。一般的做法是，将语法规则拆分一些小的独立的单元，然后对每个单元进行解析，最终合并为对整个语法规则的解析。