java设计模式之解释器模式

解释器模式（Interpreter Pattern）

1.基本介绍

1. 在编译原理中，一个算术表达式通过词法分析器形成词法单远，而这些词法单远再通过语法分析器构建语法分析树，最终形成一颗抽象的语法分析树，（词法分析器和语法分析器都可以看做是解释器）
2. 解释器模式是指给定一个语言（表达式），定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，使用该解释器来解释语言中的句子（表达式）。

2.应用场景

1. 可以将一个需要解释执行的语言中的句子表示为一个抽象语法树。
2. 一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来表达。
3. 一个简单语法需要解释的场景（比如编译器，运算表达式计算，正则表达式，机器人）。

3.解释器原理类图

说明： 1. Context:是环境角色，含有解释器之外的全局信息。
2. AbstractExpression： 抽象表达式，声明一个抽象的解释操作，这个方法为抽象语法树中所有的节点所共享。
3. TerminalExpression: 为终结符表达式，实现与文法中的终结符相关的解释操作。
4. NonTermialExpression:为非终结符表达式，为文法中的非终结符实现解释操作。
5. 输入（Context he TerminalExpression） 信息通过Client 输入即可。

4.四则运算问题

通过解释器模式来实现四则运算，如计算a+b-c的值，具体要求

1. 先输入表达式的形式，比如a+b+c-d+e ,要求表达式的字母不能重复。
2. 在分别输入a,b,c,d,e的值。
3. 最后求出结果：如图：
   

5.解释器模式来实现四则

1. 要求： 计算a+b-c的值
2. 类图分析
   
3. 代码实现

/**
 * 抽象类表达式，通过HashMap 键值对, 可以获取到变量的值
 */
public abstract class Expression {
	// a + b - c
	// 解释公式和数值, key 就是公式(表达式) 参数[a,b,c], value就是就是具体值
	// HashMap {a=10, b=20}
	public abstract int interpreter(HashMap<String, Integer> var);
}

public class Calculator {

	// 定义表达式
	private Expression expression;

	// 构造函数传参，并解析
	public Calculator(String expStr) { // expStr = a+b
		// 安排运算先后顺序
		Stack<Expression> stack = new Stack<>();
		// 表达式拆分成字符数组 
		char[] charArray = expStr.toCharArray();// [a, +, b]

		Expression left = null;
		Expression right = null;
		//遍历我们的字符数组， 即遍历  [a, +, b]
		//针对不同的情况，做处理
		for (int i = 0; i < charArray.length; i++) {
			switch (charArray[i]) {
			case '+': //
				left = stack.pop();// 从stack取出left => "a"
				right = new VarExpression(String.valueOf(charArray[++i]));// 取出右表达式 "b"
				stack.push(new AddExpression(left, right));// 然后根据得到left 和 right 构建 AddExpresson加入stack
				break;
			case '-': // 
				left = stack.pop();
				right = new VarExpression(String.valueOf(charArray[++i]));
				stack.push(new SubExpression(left, right));
				break;
			default: 
				//如果是一个 Var 就创建要给 VarExpression 对象，并push到 stack
				stack.push(new VarExpression(String.valueOf(charArray[i])));
				break;
			}
		}
		//当遍历完整个 charArray 数组后，stack 就得到最后Expression
		this.expression = stack.pop();
	}

	public int run(HashMap<String, Integer> var) {
		//最后将表达式a+b和 var = {a=10,b=20}
		//然后传递给expression的interpreter进行解释执行
		return this.expression.interpreter(var);
	}
}

/**
 * 减法解释器
 */
public class SubExpression extends SymbolExpression {

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

	//求出left 和 right 表达式相减后的结果
	public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {
		return super.left.interpreter(var) - super.right.interpreter(var);
	}
}

/**
 * 加法解释器
 */
public class AddExpression extends SymbolExpression  {

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

	//处理相加
	//var 仍然是 {a=10,b=20}..
	//一会我们debug 源码,就ok
	public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {
		//super.left.interpreter(var) ： 返回 left 表达式对应的值 a = 10
		//super.right.interpreter(var): 返回right 表达式对应值 b = 20
		return super.left.interpreter(var) + super.right.interpreter(var);
	}
}

/**
 * 变量的解释器
 */
public class VarExpression extends Expression {

	private String key; // key=a,key=b,key=c

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

	// var 就是{a=10, b=20}
	// interpreter 根据 变量名称，返回对应值
	@Override
	public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {
		return var.get(this.key);
	}
}

public class ClientTest {

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		// TODO Auto-generated method stub
		String expStr = getExpStr(); // a+b
		HashMap<String, Integer> var = getValue(expStr);// var {a=10, b=20}
		Calculator calculator = new Calculator(expStr);
		System.out.println("运算结果：" + expStr + "=" + calculator.run(var));
	}

	// 获得表达式
	public static String getExpStr() throws IOException {
		System.out.print("请输入表达式：");
		return (new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))).readLine();
	}

	// 获得值映射
	public static HashMap<String, Integer> getValue(String expStr) throws IOException {
		HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();

		for (char ch : expStr.toCharArray()) {
			if (ch != '+' && ch != '-') {
				if (!map.containsKey(String.valueOf(ch))) {
					System.out.print("请输入" + String.valueOf(ch) + "的值：");
					String in = (new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))).readLine();
					map.put(String.valueOf(ch), Integer.valueOf(in));
				}
			}
		}
		return map;
	}
}

运行结果：

6. 注意事项和细节

1. 当一个语言需要解释中兴，可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树，就可以考虑使用解释器模式，让程序具有良好的扩展性。
2. 可能带来的问题：会引起类膨胀，解释器模式采用递归调用方法，将会导致调试非常复杂，效率可能降低。