设计模式-解释器模式（Interpreter）
设计模式-解释器模式（Interpreter）
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- 一、解释器模式概述
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- 1.1 什么是解释器模式
- 1.2 简单实现解释器模式
- 1.3 使用解释器模式的注意事项
- 二、解释器模式的用途
- 三、解释器模式实现方式
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- 3.1 基于递归下降实现解释器模式
- 3.2 基于LL(1)文法实现解释器模式
- 3.3 基于ANTLR的工具实现解释器模式
- 3.4 基于Lambda表达式实现解释器模式
一、解释器模式概述
1.1 什么是解释器模式
解释器模式是一种行为设计模式，它将一个表达式转化为一个由其他对象组成的树形结构，然后通过遍历该树来求解表达式的值。
在解释器模式中，通常会定义一个抽象的解释器类，该类包含一个解析表达式的方法和一个计算表达式值的方法。具体的解释器类则实现了抽象解释器类中的解析和计算方法，用于处理不同类型的表达式。
使用解释器模式的好处是可以将表达式的解析和计算分离开来，使得表达式的语法和语义可以独立修改。同时，由于表达式被转化为了树形结构，因此可以很容易地实现一些复杂的表达式操作，如递归、循环等。
然而，解释器模式也有一些缺点。首先，由于需要将表达式转化为树形结构，因此可能会增加系统的复杂度和性能开销。其次，如果表达式的结构过于复杂或嵌套层次过深，可能会导致解释器的设计和实现变得困难。
1.2 简单实现解释器模式
首先，定义一个表达式接口：
public interface Expression {
int interpret();
}
然后，实现两个具体的表达式类：加法和乘法：
public class Addition implements Expression {
private Expression left;
private Expression right;
public Addition(Expression left, Expression right) {
this.left = left;
this.right = right;
}
@Override
public int interpret() {
return left.interpret() + right.interpret();
}
}
public class Multiplication implements Expression {
private Expression left;
private Expression right;
public Multiplication(Expression left, Expression right) {
this.left = left;
this.right = right;
}
@Override
public int interpret() {
return left.interpret() * right.interpret();
}
}
接下来，实现一个解析器类，用于将字符串表达式解析为抽象语法树：
import java.util.Stack;
public class Parser {
public static Expression parse(String expression) {
Stack<Character> operators = new Stack<>();
Stack<Expression> operands = new Stack<>();
for (int i = 0; i < expression.length(); i++) {
char c = expression.charAt(i);
if (Character.isDigit(c)) {
operands.push(new Number(c - '0'));
} else if (c == '+' || c == '*') {
while (!operators.isEmpty() && hasPrecedence(c, operators.peek())) {
processOperation(operators, operands);
}
operators.push(c);
} else if (c == '(') {
operators.push(c);
} else if (c == ')') {
while (operators.peek() != '(') {
processOperation(operators, operands);
}
operators.pop(); // Discard the '('
}
}
while (!operators.isEmpty()) {
processOperation(operators, operands);
}
return operands.pop();
}
private static boolean hasPrecedence(char op1, char op2) {
if (op2 == '(' || op2 == ')') {
return false;
}
if ((op1 == '*' || op1 == '/') && (op2 == '+' || op2 == '-')) {
return false;
}
return true;
}
private static void processOperation(Stack<Character> operators, Stack<Expression> operands) {
char operator = operators.pop();
Expression right = operands.pop();
Expression left = operands.pop();
operands.push(new BinaryOperator(operator, left, right));
}
}
最后，实现一个主类来测试解释器模式：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
String expression = "3+5*(2-8)";
Expression tree = Parser.parse(expression);
System.out.println("The result of the expression is: " + tree.interpret());
}
}
运行上述代码，将输出表达式的计算结果：The result of the expression is: -13。
1.3 使用解释器模式的注意事项
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1、需要将表达式转化为抽象语法树（AST），因此需要考虑表达式的语法和结构，以便正确地构建AST。
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2、解释器模式通常用于实现一些简单的语法，如算术表达式、逻辑表达式等。对于复杂的语法，可能需要设计更复杂的解释器类和操作符类。
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3、在解析表达式时，需要考虑运算符的优先级和结合性，以便正确地计算表达式的值。
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4、解释器模式可能会增加系统的复杂度和性能开销，因此在使用时需要权衡利弊。如果表达式的结构过于复杂或嵌套层次过深，可能会导致解释器的设计和实现变得困难。
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5、在使用解释器模式时，需要考虑表达式的安全性问题。如果表达式中包含用户输入的数据，需要进行适当的过滤和验证，以避免安全漏洞的出现。
二、解释器模式的用途
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1、编译器：编译器是一种将源代码转换为目标代码的程序。解释器模式可以用于实现编译器中的语法分析和代码生成部分。
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2、规则引擎：规则引擎是一种基于预定义的规则来执行决策的程序。解释器模式可以用于实现规则引擎中的规则解析和执行部分。
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3、正则表达式：正则表达式是一种用于处理字符串的模式匹配工具。解释器模式可以用于实现正则表达式的解析和匹配部分。
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4、SQL解析：SQL是一种用于操作关系数据库的语言。解释器模式可以用于实现SQL解析器中的语法分析和查询优化部分。
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5、符号处理引擎：符号处理引擎是一种用于处理数学公式、符号运算等问题的程序。解释器模式可以用于实现符号处理引擎中的公式解析和计算部分。
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6、在标记权限的场景下，解释器模式也非常有用。例如，我们可以构建一个表示权限的表达式系统，通过标记不同的接口使用不同的权限表达式，从而实现访问控制。
三、解释器模式实现方式
3.1 基于递归下降实现解释器模式
要实现一个基于递归下降的Java解释器模式，首先需要定义一个抽象语法树（AST）的数据结构，然后为每个语法规则创建一个解析方法。以下是一个简单的示例：
定义AST数据结构：
abstract class Expr {
}
class Literal extends Expr {
final int value;
Literal(int value) {
this.value = value;
}
}
class Add extends Expr {
final Expr left;
final Expr right;
Add(Expr left, Expr right) {
this.left = left;
this.right = right;
}
}
实现递归下降解析方法：
class Interpreter {
private final String input;
private int pos = -1;
private char currentChar;
Interpreter(String input) {
this.input = input;
advance();
}
private void advance() {
pos++;
if (pos < input.length()) {
currentChar = input.charAt(pos);
} else {
currentChar = '\0';
}
}
private boolean eat(int charToEat) {
while (currentChar == ' ') {
advance();
}
if (currentChar == charToEat) {
advance();
return true;
}
return false;
}
public Expr parse() {
Expr expr = parseExpression();
if (pos < input.length()) {
throw new RuntimeException("Unexpected: " + (char) currentChar);
}
return expr;
}
private Expr parseExpression() {
Expr x = parseTerm();
for (; ; ) {
if (eat('+')) x = new Add(x, parseTerm()); // addition
else if (eat('-')) x = new Subtract(x, parseTerm()); // subtraction
else return x;
}
}
private Expr parseTerm() {
Expr x = parseFactor();
for (; ; ) {
if (eat('*')) x = new Multiply(x, parseFactor()); // multiplication
else if (eat('/')) x = new Divide(x, parseFactor()); // division
else return x;
}
}
private Expr parseFactor() {
if (eat('+')) return parseFactor(); // unary plus
if (eat('-')) return new UnaryMinus(parseFactor()); // unary minus
int startPos = this.pos;
while (Character.isDigit(currentChar)) advance();
if (!eat(')')) {
return new Literal(Integer.parseInt(input.substring(startPos, this.pos)));
}
return null;
}
}
使用解释器解析表达式：
public static void main(String[] args) {
String input = "3+5*2";
Interpreter interpreter = new Interpreter(input);
Expr result = interpreter.parse();
System.out.println(result);
}
这个示例实现了一个简单的算术表达式解释器，支持加法、减法、乘法和除法。你可以根据需要扩展这个解释器以支持更复杂的语法规则。
3.2 基于LL(1)文法实现解释器模式
要实现基于LL(1)文法的Java解释器模式，首先需要了解LL(1)文法的概念。LL(1)文法是一种自下而上的预测分析表构造方法，它通过消除左递归和公共前缀来简化文法。接下来，我们将分步骤实现一个简单的Java解释器模式。
定义文法规则：
public class Grammar {
public static final Map<String, List<String>> rules = new HashMap<>();
static {
rules.put("E", Arrays.asList("E+T", "T"));
rules.put("T", Arrays.asList("T*F", "F"));
rules.put("F", Arrays.asList("(E)", "id"));
}
}
构建预测分析表：
import java.util.*;
public class PredictiveParser {
private static final Set<String> nonTerminals = new HashSet<>(Grammar.rules.keySet());
private static final Set<String> terminals = new HashSet<>();
static {
for (String rule : Grammar.rules.values()) {
for (String symbol : rule) {
if (!nonTerminals.contains(symbol)) {
terminals.add(symbol);
}
}
}
}
private final Map<String, Map<String, String>> table = new HashMap<>();
public PredictiveParser() {
buildTable();
}
private void buildTable() {
for (String nonTerminal : nonTerminals) {
table.put(nonTerminal, new HashMap<>());
for (String terminal : terminals) {
table.get(nonTerminal).put(terminal, null);
}
}
boolean changed;
do {
changed = false;
for (String nonTerminal : nonTerminals) {
for (Map.Entry<String, String> entry : table.get(nonTerminal).entrySet()) {
String key = entry.getKey();
for (String rule : Grammar.rules.get(nonTerminal)) {
if (rule.contains(key)) {
String value = rule.substring(0, rule.indexOf(key));
if (table.get(nonTerminal).get(key) == null || table.get(nonTerminal).get(key).compareTo(value) > 0) {
table.get(nonTerminal).put(key, value);
changed = true;
}
}
}
}
}
} while (changed);
}
public String parse(String input) {
int index = 0;
return parse(input, index);
}
private String parse(String input, int index) {
String currentSymbol = input.substring(index, index + 1);
if (terminals.contains(currentSymbol)) {
return currentSymbol;
} else {
String production = table.get(currentSymbol).get(currentSymbol);
return production + parse(input, index + production.length());
}
}
}
使用解释器解析输入：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
PredictiveParser parser = new PredictiveParser();
String input = "id+id*id";
String output = parser.parse(input);
System.out.println("Input: " + input);
System.out.println("Output: " + output);
}
}
这个例子中，我们实现了一个简单的算术表达式解释器，它可以解析包含加法、减法、乘法和括号的表达式。注意，这个实现仅适用于给定的文法规则，实际应用中可能需要根据具体需求进行调整。
3.3 基于ANTLR的工具实现解释器模式
ANTLR是一个强大的解析器生成器，可以用于构建多种编程语言的解析器。要使用ANTLR实现解释器模式，首先需要安装ANTLR并下载相应的语法文件。然后，可以使用ANTLR工具生成Java代码，最后编写Java代码实现解释器模式。
以下是一个简单的示例：
安装ANTLR：访问ANTLR官网（https://www.antlr.org/）下载并安装ANTLR。
下载语法文件：访问ANTLR官方GitHub仓库（https://github.com/antlr/grammars-v4），选择合适的语法文件（例如，Java8.g4）。
使用ANTLR工具生成Java代码：在命令行中，切换到语法文件所在的目录，运行以下命令：
java -jar antlr-4.x-complete.jar Java8.g4
这将生成一个名为Java8BaseListener.java和Java8BaseVisitor.java的文件。
编写Java代码实现解释器模式：创建一个名为Interpreter.java的文件，内容如下：
import org.antlr.v4.runtime.*;
import org.antlr.v4.runtime.tree.*;
public class Interpreter {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 读取输入文件
CharStream input = CharStreams.fromFileName("input.java");
// 创建词法分析器
Java8Lexer lexer = new Java8Lexer(input);
// 创建令牌流
CommonTokenStream tokens = new CommonTokenStream(lexer);
// 创建语法分析器
Java8Parser parser = new Java8Parser(tokens);
// 解析输入文件
ParseTree tree = parser.compilationUnit();
// 创建监听器
Java8BaseListener listener = new Java8BaseListener() {
@Override
public void enterEveryRule(ParserRuleContext ctx) {
System.out.println("Entering rule: " + ctx.getText());
}
@Override
public void exitEveryRule(ParserRuleContext ctx) {
System.out.println("Exiting rule: " + ctx.getText());
}
};
// 遍历抽象语法树
walker.walk(listener, tree);
}
}
编译并运行解释器：在命令行中，切换到Interpreter.java所在的目录，运行以下命令：
javac -cp antlr-4.x-complete.jar Interpreter.java
java -cp antlr-4.x-complete.jar:. Interpreter
这将输出输入文件中每个规则的进入和退出信息。你可以根据需要修改Java8BaseListener类中的enterEveryRule和exitEveryRule方法来实现自己的解释器逻辑。
3.4 基于Lambda表达式实现解释器模式
首先，我们定义一个接口Expr，它表示一个表达式：
interface Expr {
int eval();
}
然后，我们可以实现一些具体的表达式类，例如加法和乘法：
class Add implements Expr {
private final Expr left;
private final Expr right;
public Add(Expr left, Expr right) {
this.left = left;
this.right = right;
}
@Override
public int eval() {
return left.eval() + right.eval();
}
}
class Mul implements Expr {
private final Expr left;
private final Expr right;
public Mul(Expr left, Expr right) {
this.left = left;
this.right = right;
}
@Override
public int eval() {
return left.eval() * right.eval();
}
}
接下来，我们可以使用Lambda表达式来创建这些表达式对象：
Expr add = (Expr left, Expr right) -> new Add(left, right);
Expr mul = (Expr left, Expr right) -> new Mul(left, right);
最后，我们可以使用这些表达式对象来计算表达式的值：
Expr expr1 = mul.apply(add.apply(5, 3), add.apply(2, 4));
System.out.println(expr1.eval()); // 输出：26
在这个示例中，我们使用了Lambda表达式来简化了表达式对象的创建过程。这使得代码更加简洁和易读