设计模式(15)--Interpreter(解释器模式)--行为型

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1.模式定义:

　　　　解释器模式是类的行为模式。给定一个语言之后，解释器模式可以定义出其文法的一种表示，并同时提供一个解释器。客户端可以使用这个解释器来解释这个语言中的句子。

2.模式特点:

   　　　解释器模式在实际的系统开发中使用的非常少，因为它会引起效率、性能以及维护等问题，一般在大中型的框架型项目能够找到它的身影，比如一些数据分析工具、报表设计工具、科学计算工具等等，若你确实遇到“一种特定类型的问题发生的频率足够高”的情况，准备使用解释器模式时，可以考虑一下Expression4J、MESP（Math Expression String Parser）、Jep等开源的解析工具包（这三个开源产品都可以百度、Google中搜索到，请读者自行查询），功能都异常强大，而且非常容易使用，效率也还不错，实现大多数的数学运算完全没有问题

3.使用场景:

　　　　(1)有一个简单的语法规则，比如一个sql语句，如果我们需要根据sql语句进行rm转换，就可以使用解释器模式来对语句进行解释。

　　　　(2)一些重复发生的问题，比如加减乘除四则运算，但是公式每次都不同，有时是a+b-c*d，有时是a*b+c-d，等等等等个，公式千变万化，但是都是由加减乘除四个非终结符来连接的，这时我们就可以使用解释器模式。

　　　　(3)当有一个语言需要解释执行，并且可以将该语言中的句子表示为一个抽象语法树的时候，可以考虑使用解释器模式。

　　　　(4)语法相对应该比较简单，太复杂的语法不合适使用解释器模式；

　　　　(5)效率要求不是很高，对效率要求很高的情况下,不适合使用解释器模式。

　　　　(6)重复发生的问题可以使用解释器模式,例如，多个应用服务器，每天产生大量的日志，需要对日志文件进行分析处理，由于各个服务器的日志格式不同，但是数据要素是相同的，按照解释器的说法就是终结符表达式都是相同的，但是非终结符表达式就需要制定了。在这种情况下，可以通过程序来一劳永逸地解决该问题。

4.模式实现:

　下面就以一个示意性的系统为例，讨论解释器模式的结构。系统的结构图如下所示：

模式所涉及的角色如下所示：

　　(1)抽象表达式(Expression)角色：

　　　　声明一个所有的具体表达式角色都需要实现的抽象接口。这个接口主要是一个interpret()方法，称做解释操作。

　　(2)终结符表达式(Terminal Expression)角色：

　　　　实现了抽象表达式角色所要求的接口，主要是一个interpret()方法；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。比如有一个简单的公式R=R1+R2，在里面R1和R2就是终结符，对应的解析R1和R2的解释器就是终结符表达式。

　　(3)非终结符表达式(Nonterminal Expression)角色：

　　　　文法中的每一条规则都需要一个具体的非终结符表达式，非终结符表达式一般是文法中的运算符或者其他关键字，比如公式R=R1+R2中，“+"就是非终结符，解析“+”的解释器就是一个非终结符表达式。

　　(4)环境(Context)角色：

　　　　这个角色的任务一般是用来存放文法中各个终结符所对应的具体值，比如R=R1+R2，我们给R1赋值100，给R2赋值200。这些信息需要存放到环境角色中，很多情况下我们使用Map来充当环境角色就足够了。 

　　　　为了说明解释器模式的实现办法，这里给出一个最简单的文法和对应的解释器模式的实现，这就是模拟Java语言中对布尔表达式进行操作和求值。

在这个语言中终结符是布尔变量，也就是常量true和false。非终结符表达式包含运算符and，or和not等布尔表达式。这个简单的文法如下：

　　　　Expression    ::= Constant | Variable | Or | And | Not

　　　　And 　　　　::= Expression 'AND' Expression

　　　　Or　　　　　::= Expression 'OR' Expression

　　　　Not　　　　 ::= 'NOT' Expression

　　　　Variable　 　::= 任何标识符

　　　　Constant       ::= 'true' | 'false'

解释器模式的结构图如下所示：

　　

源代码

　　[1]抽象表达式角色

public abstract class Expression {
    /**
     * 以环境为准，本方法解释给定的任何一个表达式
     */
    public abstract boolean interpret(Context ctx);
    /**
     * 检验两个表达式在结构上是否相同
     */
    public abstract boolean equals(Object obj);
    /**
     * 返回表达式的hash code
     */
    public abstract int hashCode();
    /**
     * 将表达式转换成字符串
     */
    public abstract String toString();
}

　　[2]一个Constant对象代表一个布尔常量

public class Constant extends Expression{    
    private boolean value;
    public Constant(boolean value){
        this.value = value;
    }    
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {        
        if(obj != null && obj instanceof Constant){
            return this.value == ((Constant)obj).value;
        }
        return false;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }
    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {        
        return value;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return new Boolean(value).toString();
    }    
}

　　[3]一个Variable对象代表一个有名变量

public class Variable extends Expression {
    private String name;
    public Variable(String name){
        this.name = name;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {        
        if(obj != null && obj instanceof Variable)
        {
            return this.name.equals(
                    ((Variable)obj).name);
        }
        return false;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }
    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        return ctx.lookup(this);
    }
}

　　[4]代表逻辑“与”操作的And类，表示由两个布尔表达式通过逻辑“与”操作给出一个新的布尔表达式的操作

public class And extends Expression {
    private Expression left,right;
    
    public And(Expression left , Expression right){
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if(obj != null && obj instanceof And)
        {
            return left.equals(((And)obj).left) &&
                right.equals(((And)obj).right);
        }
        return false;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }
    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        
        return left.interpret(ctx) && right.interpret(ctx);
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " AND " + right.toString() + ")";
    }
}

　　[5]代表逻辑“或”操作的Or类，代表由两个布尔表达式通过逻辑“或”操作给出一个新的布尔表达式的操作

public class Or extends Expression {
    private Expression left,right;
    public Or(Expression left , Expression right){
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if(obj != null && obj instanceof Or)
        {
            return this.left.equals(((Or)obj).left) && this.right.equals(((Or)obj).right);
        }
        return false;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }
    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        return left.interpret(ctx) || right.interpret(ctx);
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " OR " + right.toString() + ")";
    }
}

　　[6]代表逻辑“非”操作的Not类，代表由一个布尔表达式通过逻辑“非”操作给出一个新的布尔表达式的操作

public class Not extends Expression {
    private Expression exp;    
    public Not(Expression exp){
        this.exp = exp;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if(obj != null && obj instanceof Not)
        {
            return exp.equals(
                    ((Not)obj).exp);
        }
        return false;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }
    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        return !exp.interpret(ctx);
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "(Not " + exp.toString() + ")";
    }
}

　　[7]环境(Context)类定义出从变量到布尔值的一个映射

public class Context {
    private Map<Variable,Boolean> map = new HashMap<Variable,Boolean>();  
    public void assign(Variable var , boolean value){
        map.put(var, new Boolean(value));
    }
    
    public boolean lookup(Variable var) throws IllegalArgumentException{
        Boolean value = map.get(var);
        if(value == null){
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        return value.booleanValue();
    }
}

　　[8]客户端类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Context ctx = new Context();
        Variable x = new Variable("x");
        Variable y = new Variable("y");
        Constant c = new Constant(true);
        ctx.assign(x, false);
        ctx.assign(y, true);      
        Expression exp = new Or(new And(c,x) , new And(y,new Not(x)));
        System.out.println("x=" + x.interpret(ctx));
        System.out.println("y=" + y.interpret(ctx));
        System.out.println(exp.toString() + "=" + exp.interpret(ctx));
    }
}

　　

运行结果如下：

 

5.优缺点:

　　(1)解释器模式的优点

　　　　[1]易于实现语法：在解释器模式中，一条语法规则用一个解释器对象来解释执行，对于解释器的实现来讲，功能就变得比较简单，只需要考虑这一条语法规则的实现就好了，其它的都不用管。

　　　　[2]易于扩展新的语法：正是由于采用一个解释器对象负责一条语法规则的方式，使得扩展新的语法非常容易，扩展了新的语法，只需要创建相应的解释器对象，在创建抽象语法树的时候使用这个新的解释器对象就可以了。

　　(2)解释器模式的缺点

　　　　[1]引起类膨胀：每个语法都要产生一个非终结符表达式，语法规则比较复杂时，就可能产生大量的类文件，为维护带来了非常多的麻烦。

　　　    [2]采用递归调用方法：每个非终结符表达式只关心与自己有关的表达式，每个表达式需要知道最终的结果，必须一层一层地剥茧，无论是面向过程的语言还是面向对象的语言，递归都是在必要条件下使用的，它导致调试非常复杂。想想看，如果要排查一个语法错误，我们是不是要一个一个断点的调试下去，直到最小的语法单元。

　           [3]效率问题：解释器模式由于使用了大量的循环和递归，效率是个不容忽视的问题，特别是用于解析复杂、冗长的语法时，效率是非常低的。

6.注意事项

   　　尽量不要在重要的模块中使用解释器模式，否则维护会是一个很大的问题。在项目中可以使用shell、JRuby、Groovy等脚本语言来代替解释器模式，弥补Java编译型语言的不足。我们在一个银行的分析型项目中就采用JRuby进行运算处理，避免使用解释器模式的四则运算，效率和性能各方面表现良好。

  　　  解释器模式真的是一个比较少用的模式，因为对它的维护实在是太麻烦了，想象一下，一坨一坨的非终结符解释器，假如不是事先对文法的规则了如指掌，或者是文法特别简单，则很难读懂它的逻辑。解释器模式在实际的系统开发中使用的很少，因为他会引起效率、性能以及维护等问题。