解释器模式(Interpreter)

解释器模式是一种行为设计模式，可以解释语言的语法或表达式。给定一个语言，定义它的文法的一种表示，然后定义一个解释器，使用该文法来解释语言中的句子。解释器模式提供了评估语言的语法或表达式的方式。

Interpreter is a behavior design pattern. It can interpret the syntax or expressions of a language. 
Given a language, define a representation of its grammar, and then define an interpreter 
that uses the grammar to interpret sentences by the language.

结构设计

解释器模式包含如下角色：
Context，上下文，包含解释器之外的一些全局信息。
AbstractExpression，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。
TerminalExression，终结符表达式，实现与文法中的终结符相关联的解释操作。
NonterminalExpression，非终结符表达式，实现与文法中的非终结符相关联的解释操作，对文法中每一条规则R1、R2、…、Rn 都需要一个具体的非终结符表达式类。
Client，客户端，构建一个句子，它是TerminalExression和NonterminalExpression的实例的一个抽象语法树，然后初始化Context，并调用解释操作。
解释器模式类图表示如下：

伪代码实现

接下来将使用代码介绍下解释器模式的实现。由于无法使用抽象的用例表示出解释器模式，所以这里会基于特定的场景给出代码示例。这里以常见的四则运算(由于除法需要特殊处理，这里暂不提供)的解析为例，
介绍下解释器模式的实现。

// 1、抽象表达式，声明一个抽象的解释操作接口
public interface Expression {
    int interpret();
}

//2、终结符表达式，实现与文法中的终结符相关联的解释操作，这里是数字  
public class NumberExpression implements Expression {
    private int number;

    public NumberExpression(int number) {
        this.number = number;
    }

    public NumberExpression(String number) {
        this.number = Integer.parseInt(number);
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return this.number;
    }
}

// 3、非终结符表达式，实现与文法中的非终结符相关联的解释操作，这里是运算符
public class AdditionExpression implements Expression {
    private Expression firstExpression, secondExpression;

    public AdditionExpression(Expression firstExpression, Expression secondExpression) {
        this.firstExpression = firstExpression;
        this.secondExpression = secondExpression;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return Math.addExact(this.firstExpression.interpret(), this.secondExpression.interpret());
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "+";
    }
}
public class SubtractionExpression implements Expression {
    private Expression firstExpression, secondExpression;

    public SubtractionExpression(Expression firstExpression, Expression secondExpression) {
        this.firstExpression = firstExpression;
        this.secondExpression = secondExpression;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return Math.subtractExact(this.firstExpression.interpret(), this.secondExpression.interpret());
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "-";
    }
}
public class MultiplicationExpression implements Expression {
    private Expression firstExpression, secondExpression;

    public MultiplicationExpression(Expression firstExpression, Expression secondExpression) {
        this.firstExpression = firstExpression;
        this.secondExpression = secondExpression;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return Math.multiplyExact(this.firstExpression.interpret(), this.secondExpression.interpret());
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "*";
    }
}

// 4、表达式分析器，将输入解析成表达式并执行相关的计算
public class ExpressionParser {
    private static final String ADD = "+";

    private static final String SUBTRACT = "-";

    private static final String MULTIPLY = "*";

    private static final String SPLITTER = " ";

    private LinkedList<Expression> stack = new LinkedList();

    public int parse(String str) {
        String[] tokenList = str.split(SPLITTER);
        for (String symbol : tokenList) {
            if (!isOperator(symbol)) {
                Expression numberExpression = new NumberExpression(symbol);
                stack.push(numberExpression);
            } else {
                Expression firstExpression = stack.pop();
                Expression secondExpression = stack.pop();
                Expression operator = getExpressionObject(firstExpression, secondExpression, symbol);
                if (operator == null) {
                    throw new RuntimeException("unknown symbol: " + symbol);
                }
                int result = operator.interpret();
                NumberExpression resultExpression = new NumberExpression(result);
                stack.push(resultExpression);
            }
        }
        return stack.pop().interpret();
    }

    private boolean isOperator(String symbol) {
        return symbol.equals(ADD) || symbol.equals(SUBTRACT) || symbol.equals(MULTIPLY);

    }

    private Expression getExpressionObject(Expression firstExpression, Expression secondExpression, String symbol) {
        switch (symbol) {
            case ADD:
                return new AdditionExpression(firstExpression, secondExpression);
            case SUBTRACT:
                return new SubtractionExpression(firstExpression, secondExpression);
            case MULTIPLY:
                return new MultiplicationExpression(firstExpression, secondExpression);
            default:
                return null;
        }
    }
}

// 5、客户端
public class InterpreterClient {
    public void test() {
        // (1) 定义输入
        String input = "2 1 5 + *";
        System.out.println("input is: " + input);
        // (2) 创建表达式分析器实例
        ExpressionParser expressionParser = new ExpressionParser();
        // (3) 执行分析操作
        int result = expressionParser.parse(input);
        System.out.println("result: " + result);
    }
}

适用场景

在以下情况下可以考虑使用解释器模式：
(1)如果需要解释执行的语言中的句子，可以表示为一个抽象语法树，可以考虑使用解释器模式。如SQL 解析、符号处理引擎、正则表达式等。
(2) 对于重复出现的问题，如果可以使用简单的语言来表达，可以考虑使用解释器模式。
(3) 一个简单语法需要解释的场景，可以考虑使用解释器模式。对于简单语法，由于其文法规则较简单，使用解释器模式要优于语法分析程序。

优缺点

解释器模式有以下优点：
(1) 可扩展性好。因为该模式使用类来表示文法规则，可以使用继承来改变或扩展该文法。
(2) 易于实现简单的文法。定义抽象语法树各个节点的类的实现大体相似。
但是该模式也存在以下缺点：
(1) 可利用场景比较少。
(2) 对于复杂的文法比较难维护。包含许多规则的文法可能难以管理和维护。
(3) 会引起类膨胀。随着文法规则的复杂化，类的规模也会随之膨胀。
(4) 使用了大量的循环和递归，需要考虑效率问题。

参考

《设计模式 可复用面向对象软件的基础》 Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides 著, 李英军, 马晓星等译
https://design-patterns.readthedocs.io/zh_CN/latest/behavioral_patterns/mediator.html 解释器模式
https://refactoringguru.cn/design-patterns/mediator 解释器模式
https://www.runoob.com/design-pattern/mediator-pattern.html 解释器模式
https://www.cnblogs.com/adamjwh/p/10959987.html 简说设计模式——解释器模式
https://springframework.guru/gang-of-four-design-patterns/interpreter-pattern/ Interpreter Pattern