解释器模式(Interpreter)

发布时间：2020-12-13 21:12:52 所属栏目：PHP教程来源：网络整理

导读：1、模式动机如果在系统中某1特定类型的问题产生的频率很高，此时可以斟酌将这些问题的实例表述为1个语言中的句子，因此可以构建1个解释器，该解释器通过解释这些句子来解决这些问题。解释器模式描写了如何构成1个简单的语言解释器，主要利用在使用面向对象

1、模式动机

如果在系统中某1特定类型的问题产生的频率很高，此时可以斟酌将这些问题的实例表述为1个语言中的句子，因此可以构建1个解释器，该解释器通过解释这些句子来解决这些问题。

解释器模式描写了如何构成1个简单的语言解释器，主要利用在使用面向对象语言开发的编译器中。

2、模式定义

解释器模式(Interpreter Pattern) ：定义语言的文法，并且建立1个解释器来解释该语言中的句子，这里的“语言”意思是使用规定格式和语法的代码，它是1种类行动型模式。

3、模式结构

解释器模式

4、参与者

AbstractExpression: 抽象表达式
TerminalExpression: 终结符表达式
NonterminalExpression: 非终结符表达式
Context: 环境类
Client: 客户类

5、示例代码

设计与实现1个4则算术运算解释器

可以分析任意+、-、*、/表达式，并计算其数值
输入表达式为1个字符串表达式
输出结果为双精度浮点数(Double)

输入是1个用字符串表达的4则运算，比如 1 + 2 * 3 。目的是试图去理解这个字符串表达的运算指令，然后计算出结果 7。之所以是1个解释器 Interpreter，而不是1个编译器 Compiler，是由于程序是去理解指令并且履行指令，而不是把指令编译成机器代码来运行；后者是编译器的目标。

第1个部份，是截取输入字符串，然后返回单元指令。比如，对指令 1 + 2 * 3 – 4 / 5，就需要被分解成以下所示的单元指令集：

tokenize

第2个部份，把单元指令集组成1个树结构，称之为Abstract Syntax Tree。依照将来需要解释的顺序，优先履行的指令放在树的叶的位置，最后履行的指令是树根Root。

parse

程序只有 2 种单元指令：操作数 NumExpression 和 运算符 OpExpression 。
定义了1个抽象类，叫做 Expression，然后NumExpression和 OpExpression 继承了该抽象类。

Expression

源代码

package design.pattern;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Scanner;

/**
 * 运算符枚举类
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
enum Op {
    Plus('+'),Minus('-'),Multiply('*'),Divide('/');

    char value;

    Op(char value) {
        this.value = value;
    }

    static Op getValue(char ch) {
        switch (ch) {
        case '+':
            return Plus;
        case '-':
            return Minus;
        case '*':
            return Multiply;
        case '/':
            return Divide;
        default:
            return null;
        }
    }
}

/**
 * 运算符优先级枚举类
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
enum Prioirty {
    Lv2(2),Lv1(1),Lv0(0);

    int value;

    Prioirty(int value) {
        this.value = value;
    }

    int getValue() {
        return value;
    }
}

/**
 * 抽象表达式
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
abstract class Expression {
    abstract public double interpreter(Syntax root);
}

/**
 * 操作数表达式
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
class NumExpression extends Expression {
    private double value;

    public NumExpression(double value) {
        this.value = value;
    }

    public double getValue() {
        return value;
    }

    public double interpreter(Syntax root) {
        return ((NumExpression) (root.getExpression())).getValue();
    }

    public String toString() {
        return String.valueOf(value);
    }
}

/**
 * 运算符表达式
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
class OpExpression extends Expression {
    private Op value;

    public OpExpression() {
    }

    public OpExpression(Op value) {
        this.value = value;
    }

    public Op getValue() {
        return value;
    }

    public Prioirty getPrioirty() {
        switch (this.value) {
        case Plus:
        case Minus:
            return Prioirty.Lv1;
        case Multiply:
        case Divide:
            return Prioirty.Lv2;
        default:
            return Prioirty.Lv0;
        }
    }

    public double interpreter(Syntax root) {
        double lvalue,rvalue;
        if (root.getLeft() == null)
            lvalue = 0;
        else
            lvalue = ((Expression) root.getLeft().getExpression()).interpreter(root.getLeft());

        if (root.getRight() == null)
            rvalue = 0;
        else
            rvalue = ((Expression) root.getRight().getExpression()).interpreter(root.getRight());

        switch (((OpExpression) root.getExpression()).getValue()) {
        case Plus:
            return lvalue + rvalue;
        case Minus:
            return lvalue - rvalue;
        case Multiply:
            return lvalue * rvalue;
        case Divide:
            return lvalue / rvalue;
        default:
            return 0;
        }
    }

    public String toString() {
        return value.toString();
    }
}

/**
 * 解释器
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
public class Interpreter {
    private Expressionizer expressionizer = new Expressionizer();

    public SyntaxTree eval(String expr) {
        ArrayList<Expression> expressions = expressionizer.parse(expr);
        SyntaxTree astree = new SyntaxTree();

        for (Expression e : expressions) {
            astree.append(e);
        }
        return astree;
    }

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("请输入表达式");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        String exp = scanner.nextLine();
        scanner.close();
        Interpreter interpreter = new Interpreter();
        // 构建语法树
        SyntaxTree context = interpreter.eval(exp);
        Expression EXP = new OpExpression();
        // 解释语法树
        double result = EXP.interpreter(context.getRoot());
        System.out.println(result);
    }
}

/**
 * 语法树节点类
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
class Syntax {
    private Expression expression;
    private Syntax left;
    private Syntax right;

    public Syntax(Expression Expression) {
        this.expression = Expression;
        this.left = null;
        this.right = null;
    }

    public Expression getExpression() {
        return expression;
    }

    public Syntax getLeft() {
        return left;
    }

    public void setLeft(Syntax value) {
        this.left = value;
    }

    public Syntax getRight() {
        return right;
    }

    public void setRight(Syntax value) {
        this.right = value;
    }
}

class SyntaxTree {
    private Syntax root;
    private int count;

    public SyntaxTree() {
        this.root = null;
        this.count = 0;
    }

    public Syntax getRoot() {
        return root;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public void append(Expression expression) {
        this.root = this.append(this.root,expression);
        this.count++;
    }

    /**
     * 添加表达式节点到语法树root中
     * 
     * @param root
     *            语法树根节点
     * @param expression
     *            表达式
     * @return 语法树新的根节点
     */
    private Syntax append(Syntax root,Expression expression) {
        // 第1次添加节点
        if (root == null) {
            Syntax newNode = new Syntax(expression);
            root = newNode;
            return root;
        }
        // 添加操作数
        if (expression instanceof NumExpression) {
            // 如果根节点为运算符，则把操作数添加到右端，否则疏忽
            if (root.getExpression() instanceof OpExpression) {
                // 如果右子树为空则直接添加为右节点
                if (root.getRight() == null) {
                    Syntax newNode = new Syntax(expression);
                    root.setRight(newNode);
                    return root;
                } else {
                    // 右子树不为空，作为新的语法树继续添加
                    root.setRight(this.append(root.getRight(),expression));
                    return root;
                }
            }
            // 添加运算符
        } else if (expression instanceof OpExpression) {
            // 如果根节点为操作数，则新的运算符为根节点，操作数加到左端
            if (root.getExpression() instanceof NumExpression) {
                Syntax newRoot = new Syntax(expression);
                newRoot.setLeft(root);
                root = newRoot;
                return newRoot;
                // 如果根节点为运算符，则根据优先级添加新的运算符到语法树
            } else if (root.getExpression() instanceof OpExpression) {
                OpExpression expression1 = (OpExpression) expression;
                OpExpression expression2 = (OpExpression) root.getExpression();
                // 新的运算符优先级低于根节点，则将新运算符作为根节点，旧的根加到左端
                if (expression1.getPrioirty().getValue() <= expression2.getPrioirty().getValue()) {
                    Syntax newRoot = new Syntax(expression1);
                    newRoot.setLeft(root);
                    root = newRoot;
                    return newRoot;
                } else {
                    // 新的运算符优先级高于根节点，需要优先运算，则添加到根节点的右子树
                    root.setRight(append(root.getRight(),expression));
                    return root;
                }
            }
        }
        return root;
    }
}

class Expressionizer {
    private static Character[] Ops = { '+','-','*','/' };
    // private static Character[] Spaces = { ' ','','t','n','r' };

    String getStringRepresentation(ArrayList<Character> list) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder(list.size());
        for (Character ch : list) {
            builder.append(ch);
        }
        return builder.toString();
    }

    /**
     * 将字符串转化为表达式序列
     *
     */
    public ArrayList<Expression> parse(String value) {
        ArrayList<Expression> list = new ArrayList<Expression>();
        ArrayList<Character> buff = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < value.length(); i++) {
            char ch = value.charAt(i);
            if (ch >= '0' && ch <= '9') {
                buff.add(ch);
            } else if (ch == '.') {
                buff.add('.');
            } else {
                OpExpression expression = null;
                // 查找运算符是不是在Ops表中
                if (Arrays.asList(Ops).indexOf(ch) >= 0) {
                    expression = new OpExpression(Op.getValue(ch));
                }
                // 当前表达式为运算符，则buff中寄存的数字字符序列为1个单独的操作数
                if (buff.size() > 0) {
                    double num = Double.parseDouble(getStringRepresentation(buff));
                    Expression expression1 = new NumExpression(num);
                    list.add(expression1);
                    buff.clear();
                }
                if (expression != null) {
                    list.add(expression);
                }
            }
        }
        // 最后留下的1个数字
        if (buff.size() > 0) {
            double num = Double.parseDouble(getStringRepresentation(buff));
            Expression Expression1 = new NumExpression(num);
            list.add(Expression1);
            buff.clear();
        }
        // for (Expression c : list)
        // System.out.println(c);
        return list;
    }
}

分析
从最简单的情况开始斟酌：分析 1 + 2 + 3 + 4
首先，AST 树是空的， Root = NULL。
当把 NumExpression 1 插入树的时候，设置该 Expression 为根。
当把 OpExpression + 插入树的时候，需要移动把 + 设置成根：

当把 NumExpression 2 插入树的时候，就把数字 2 插入树的右边：

当把 OpExpression + 插入树的时候（同级别的操作符，顺序是左到右），我们就需要把最新的 OpExpression 设置成根，当前树设置成新根的左边：

我们可以得出1个很重要的法则：插入1个新的操作符进入 AST 树的时候，若是树的根是1个操作符，并且和此新操作符同级，运算顺序是由左至右的话，那末新的操作符会成为新的树的根，现有的树会成为新树的左子树。
假定要插入的操作符不是 +，而是1个优先权比较高的 * 呢？也就是，若是 1 + 2 * 3 的话，AST 会是甚么模样？
这类情况下，乘法运算符必须移动到树的右子树上，并且成为右子树的根。原右子树会成为新的右子树的左子树。

6、模式分析

解释器模式描写了如作甚简单的语言定义1个文法，如何在该语言中表示1个句子，和如何解释这些句子。

文法规则实例
expression ::= value | symbol
symbol ::= expression ‘+’ expression | expression ‘-‘
value ::= an integer //1个整数值
在文法规则定义中可使用1些符号来表示不同的含义，如使用“|”表示或，使用“{”和“}”表示组合，使用“*”表示出现0次或屡次等。
抽象语法树
除使用文法规则来定义1个语言，在解释器模式中还可以通过1种称之为抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST)的图形方式来直观地表示语言的构成，每棵抽象语法树对应1个语言实例。

抽象语法树描写了如何构成1个复杂的句子，通过对抽象语法树的分析，可以辨认出语言中的终结符和非终结符类。

在解释器模式中，每种终结符和非终结符都有1个具体类与之对应，正由于使用类来表示每个语法规则，使得系统具有较好的扩大性和灵活性。

优点
- 易于改变和扩大文法。
- 易于实现文法。
- 增加了新的解释表达式的方式。
缺点
- 对复杂文法难以保护。
- 履行效力较低。
- 利用场景很有限。
模式使用
- 可以将1个需要解释履行的语言中的句子表示为1个抽象语法树。
- 1些重复出现的问题可以用1种简单的语言来进行表达。
- 文法较为简单。
- 效力不是关键问题。
模式利用
- 解释器模式在使用面向对象语言实现的编译器中得到了广泛的利用，如Smalltalk语言的编译器。
- 目前有1些基于Java抽象语法树的源代码处理工具，如在Eclipse中就提供了Eclipse AST，它是Eclipse JDT的1个重要组成部份，用来表示Java语言的语法结构，用户可以通过扩大其功能，创建自己的文法规则。
- 可使用解释器模式，通过C++、Java、C#等面向对象语言开发简单的编译器，如数学表达式解析器、正则表达式解析器等，用于增强这些语言的功能，使之增加1些新的文法规则，用于解释1些特定类型的语句。
- 在实际项目开发中如果需要解析数学公式，不必再应用解释器模式进行设计，可以直接使用1些第3方解析工具包，它们可以统称为数学表达式解析器(Math Expression Parser,MEP)，如Expression4J、Jep、JbcParser、Symja、Math Expression String Parser(MESP)等来取代解释器模式，它们可以方便地解释1些较为复杂的文法，功能强大，且使用简单，效力较好。

7、模式总结

解释器模式定义语言的文法，并且建立1个解释器来解释该语言中的句子，这里的“语言”意思是使用规定格式和语法的代码，它是1种类行动型模式。
解释器模式主要包括以下4个角色
- 在抽象表达式中声明了抽象的解释操作，它是所有的终结符表达式和非终结符表达式的公共父类；
- 终结符表达式是抽象表达式的子类，它实现了与文法中的终结符相干联的解释操作；
- 非终结符表达式也是抽象表达式的子类，它实现了文法中非终结符的解释操作；
- 环境类又称为上下文类，它用于存储解释器以外的1些全局信息。
对1个简单的语言可使用1些文法规则来进行定义，还可以通过抽象语法树的图形方式来直观地表示语言的构成，每棵抽象语法树对应1个语言实例。
解释器模式的主要优点
- 易于改变和扩大文法
- 易于实现文法并增加了新的解释表达式的方式
其主要缺点是对复杂文法难以保护，履行效力较低且利用场景很有限。
解释器模式适用情况包括
- 可以将1个需要解释履行的语言中的句子表示为1个抽象语法树；
- 1些重复出现的问题可以用1种简单的语言来进行表达；
- 文法较为简单且效力不是关键问题。

（编辑：李大同）

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