折腾Java设计模式之解释器模式

解释器模式

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。

意图 给定一个语言，定义它的文法表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该标识来解释语言中的句子。

主要解决 对于一些固定文法构建一个解释句子的解释器。

何时使用 如果一种特定类型的问题发生的频率足够高，那么可能就值得将该问题的各个实例表述为一个简单语言中的句子。这样就可以构建一个解释器，该解释器通过解释这些句子来解决该问题。

如何解决 构件语法树，定义终结符与非终结符。

关键代码 构件环境类，包含解释器之外的一些全局信息，一般是 HashMap。

解释器模式相关UML图

类图

可以看出右侧的协作图(object collaboration diagram)展现出运行时的解释器模式。Client向右侧抽象语法树发送解释请求，请求被转发并向下到树结构的所有对象。

解释器模式的主要角色

抽象解释器(AbstractExpression/Expression)：声明一个所有具体表达式都要实现的抽象接口（或者抽象类），接口中主要是一个interpret()方法，称为解释操作。具体解释任务由它的各个实现类来完成，具体的解释器分别由终结符解释器TerminalExpression和非终结符解释器NonterminalExpression完成。

终结符表达式(TerminalExpression)：实现与文法中的元素相关联的解释操作，通常一个解释器模式中只有一个终结符表达式，但有多个实例，对应不同的终结符。终结符一半是文法中的运算单元，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。

非终结符表达式(NonterminalExpression)：文法中的每条规则对应于一个非终结符表达式，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。非终结符表达式根据逻辑的复杂程度而增加，原则上每个文法规则都对应一个非终结符表达式。

环境角色(Context)：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。

干货代码

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简单的一个解释器计算加减乘除算法，环境上下文没有用好，其实计算规则更多的是人为设定的了。

本次的抽象接收器用的是抽象类，用接口代替也可以。

//抽象解释器
public abstract class AbstractExpression {

    public abstract int interpreter(Context context);
}

//非终结表达式：加法
@Data
@AllArgsConstructor
public class Add extends AbstractExpression {

    private final AbstractExpression left;

    private final AbstractExpression right;

    @Override
    public int interpreter(Context context) {
        return left.interpreter(context) + right.interpreter(context);
    }
}

//非终结表达式：减法
@Data
@AllArgsConstructor
public class Subtract extends AbstractExpression {

    private final AbstractExpression left;

    private final AbstractExpression right;

    @Override
    public int interpreter(Context context) {
        return left.interpreter(context) - right.interpreter(context);
    }
}

//非终结表达式：乘法
@Data
@AllArgsConstructor
public class Multiply extends AbstractExpression {

    private final AbstractExpression left;

    private final AbstractExpression right;

    @Override
    public int interpreter(Context context) {
        return left.interpreter(context) * right.interpreter(context);
    }
}

//非终结表达式：除法
@Data
@AllArgsConstructor
public class Division extends AbstractExpression {

    private final AbstractExpression left;

    private final AbstractExpression right;

    @Override
    public int interpreter(Context context) {
        int right = this.right.interpreter(context);
        if (right != 0) {
            return left.interpreter(context) / right;
        }

        return -1;
    }
}

//终结表达式：变量
@Data
@AllArgsConstructor
public class Variable extends AbstractExpression {

    private final String key;

    @Override
    public int interpreter(Context context) {
        return context.getValue(key);
    }
}

//环境上下文
@Getter
public class Context {

    private final Map<String, Integer> valueMap = Maps.newHashMap();

    public void addValue(final String key, final int value) {
        valueMap.put(key, Integer.valueOf(value));
    }

    public int getValue(final String key) {
        return valueMap.get(key).intValue();
    }
}

//
public class Application {

    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();
        context.addValue("a", 6);
        context.addValue("b", 9);
        context.addValue("c", 1);

        Variable a = new Variable("a");
        Variable b = new Variable("b");
        Variable c = new Variable("c");

        AbstractExpression multiplyValue = new Multiply(a, b);
        AbstractExpression subtractValue = new Subtract(a, b);
        AbstractExpression addValue = new Add(subtractValue, c);
        AbstractExpression divisionValue = new Division(multiplyValue, addValue);

        log.info("{}", context.getValueMap());
        log.info("(a*b)/(a-b+c) = {}", divisionValue.interpreter(context));
    }
}

结果如下：

Java中的应用

java中的表达式引擎

parsii

JEval

JEPLite

expr

Janino

MathEval

Java表达式引擎fel/groovy/expression4j/java脚本引擎的性能对比

JDK中的应用

这个模式通常定义了一个语言的语法，然后解析相应语法的语句。

java.util.Pattern

java.text.Normalizer

java.text.Format

参考

解释器模式|菜鸟教程

Interpreter pattern

细数JDK里的设计模式

23种设计模式（14）：解释器模式