18.解释器模式设计思想

目录介绍

  • 01.解释器模式基础
    • 1.1 解释器模式由来
    • 1.2 解释器模式定义
    • 1.3 解释器模式场景
    • 1.4 解释器模式思考
    • 1.5 解释器模式特点
    • 1.6 主要解决问题
  • 02.解释器模式原理
    • 2.1 罗列一个场景
    • 2.2 用例子理解解释器
    • 2.3 需求普通实现
    • 2.4 案例演变实现
    • 2.5 解释器模式实现步骤
  • 03.解释器模式结构
    • 3.1 解释器模式结构
    • 3.2 解释器模式时序图

01.解释器模式基础

学习解释器模式，它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。

所以，解释器模式也不是我们学习的重点，你稍微了解一下就可以了。

1.1 解释器模式由来

1.2 解释器模式定义

解释器模式的英文翻译是 Interpreter Design Pattern。

在 GoF 的《设计模式》一书中，它是这样定义的：Interpreter pattern is used to defines a grammatical representation for a language and provides an interpreter to deal with this grammar.

翻译成中文就是：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。

1.3 解释器模式场景

为了让你更好地理解定义，我举一个比较贴近生活的例子来解释一下。

实际上，理解这个概念，我们可以类比中英文翻译。我们知道，把英文翻译成中文是有一定规则的。这个规则就是定义中的“语法”。

我们开发一个类似 Google Translate 这样的翻译器，这个翻译器能够根据语法规则，将输入的中文翻译成英文。这里的翻译器就是解释器模式定义中的“解释器”。

1.4 解释器模式思考

1.5 解释器模式特点

1.6 主要解决问题

02.解释器模式原理

2.1 罗列一个场景

举个更加贴近编程的例子。

  • 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。

2.2 用例子理解解释器

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“8 3”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。

2.3 需求普通实现

用户按照上面的规则书写表达式，传递给 interpret() 函数，就可以得到最终的计算结果。

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）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。

2.4 案例演变实现

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。应用设计模式主要是应对代码的复杂性，实际上，解释器模式也不例外。

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。当然，因为加减乘除表达式的解析比较简单，利用解释器模式的设计思路，看起来有点过度设计。不过呢，这里我主要是为了解释原理，你明白意思就好，不用过度细究这个例子。

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AdditionExpression代码结构类似，这里就省略了

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();
  }
}

2.5 解释器模式实现步骤

03.解释器模式结构

3.1 解释器模式结构

解释器模式包含以下几个核心组件：

  1. 抽象解释器（Abstract Expression）：定义了解释器的接口，包含解释和执行表达式的方法。
  2. 终结符表达式（Terminal Expression）：表示语言中的终结符，实现了抽象解释器接口，并实现了解释和执行表达式的方法。
  3. 非终结符表达式（Non-terminal Expression）：表示语言中的非终结符，实现了抽象解释器接口，并实现了解释和执行表达式的方法。
  4. 上下文（Context）：包含解释器需要的全局信息，用于传递给解释器进行解释和执行。

3.2 解释器模式时序图

04.解释器模式实战举例

贡献者: yangchong211