解释器模式(Interpreter) 考虑上图中计算器的例子 设计可以用于计算加减运算(简单起见,省略乘除),你会怎么做? 你可能会定义一个工具类,工具类中有N多静态方法 比如定义了两个方法用于计算a+b 和 a+b-c public static int add(int a,int b){return a+b; }public static int add(int a,int b,int c){return a+b-c; } 但是很明显,如果形式有限,那么可以针对对应的形式进行编程 如果形势变化非常多,这就不符合要求,因为加法和减法运算,两个运算符与数值可以有无穷种组合方式 比如 a+b+c+d+e+f、a-b-c+d、a-b+c....等等 用有限的方法参数列表组合的形式,怎么可能表达出无穷的变化? 也可以通过函数式接口,能够提高一定的灵活性 package function; @FunctionalInterfacepublic interface Function1<A,B,C,D,E,F,G, R> { R xxxxx(A a,B b,C c,D d,E e,F f,G g); } 好处是可以动态的自定义方程式,但是你可能需要定义很多函数式接口 而且,有限的函数式接口也不能解决无限种可能的 上面的方式都是以有限去应对无限,必然有行不通的时候 显然,你需要一种翻译识别机器,能够解析由数字以及+ - 符号构成的合法的运算序列 如果把运算符和数字都看作节点的话,能够逐个节点的进行读取解析运算 这就是解释器模式的思维 解释器不限定具体的格式,仅仅限定语法,能够识别遵循这种语法的“语言”书写的句子 不固定你的形式,也就是不存在强制为a+b的情形,但是你必须遵循固定语法,数字和 + - 符号组成 Java编译器可以识别遵循java语法的表达式和语句,C语言编译器可以识别遵循C语言语法的表达式和语句。说的就是这个意思 意图给定一个语言,定义他的文法的一种表示,并定义一个解释器,这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。 解释器模式其实就是编译原理的思维方式 如果某种特定类型的问题发生的频率很高,那么就可以考虑将该问题的各个实例表述为一个简单语言中的句子,通过解释器进行识别。 经典的案例就是正则表达式 我们在实际开发中,经常需要判断邮箱地址、手机号码是否正确,如果没有正则表达式 我们需要编写特定的算法函数进行判断,去实现这些规则,比如一个算法可能用来判断是否是邮箱,比如要求必须有@符号 正则表达式是用来解决字符串匹配的问题,他是解释器模式思维的一个运用实例 通过定义正则表达式的语法结构,进而通过表达式定义待匹配字符的集合,然后通过通用的算法来解释执行正则表达式 解释器模式将语法规则抽象出来,设置通用的语法规则,然后使用通用算法执行 使用正则表达式你不在需要自己手动实现算法去实现规则,你只需要按照正则表达式的语法,对你需要匹配的字符集合进行描述即可 有现成的通用算法来帮你实现,而语法相对于算法的实现,自然是简单了很多 再比如浏览器解析HTML,我们知道HTML页面是由固定的元素组成的,有他的语法结构 但是一个HTML页面的标签的个数以及标签内容的组合形式却是千变万化的,但是浏览器可以正确的将他们解析呈现出来 这也是一种解释器的模型 在解释器模式中,我们需要将待解决的问题,提取出规则,抽象为一种“语言” 比如加减法运算,规则为:有数值和+- 符号组成的合法序列 加减法运算就不能有乘除,否则就不符合语法 “1+2+3”就是这种语言的一个句子 比如遥控汽车的操作按钮,规则为:由前进、后退、左转、右转四种指令组成 遥控汽车就不能有起飞,否则就是不符合语法的 “前进 左转 后退 前进 后退”就是这种语言的一个句子 解释器就是要解析出来语句的含义 既然需要将待解决的问题场景提取出规则,那么如何描述规则呢? 语法规则描述对于语法规则的定义,也有一套规范用于描述 Backus-Naur符号(就是众所周知的BNF或Backus-Naur Form)是描述语言的形式化的数学方法 叫做范式,此后又有扩展的,叫做EBNF
有了规则我们就可以对语法进行描述,这是解释器模式的基础工作 比如加减法运算可以这样定义
抽象语法树除了使用文法规则来定义规则,还可以通过抽象语法树的图形方式直观的表示语言的构成 文法规则描述了所有的场景,所有条件匹配的都是符合的,不匹配的都是不符合的 符合语法规则的一个“句子”就是语言规则的一个实例 抽象语法树正是对于这个实例的一个描述 一颗抽象语法树对应着语言规则的一个实例 关于抽象语法树百科中这样介绍 在计算机科学中,抽象语法树(abstract syntax tree 或者缩写为 AST),或者语法树(syntax tree) 是源代码的抽象语法结构的树状表现形式,这里特指编程语言的源代码。 树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。 之所以说语法是「抽象」的,是因为这里的语法并不会表示出真实语法中出现的每个细节。 比如 1+2+3+4-5是一个实例 所以说文法规则用于描述语言规则,抽象语法树描述描述语言的一个实例,也就是一个“句子” 结构抽象表达式角色AbstractExpression 声明一个抽象的解释操作,所有的具体表达式操作都需要实现的抽象接口 接口主要是interpret()方法,叫做解释操作 终结符表达式角色TerminalExpression 这是一个具体角色,实现与文法中的终结符相关联的解释操作,主要就是interpret()方法 一个句子中的每个终结符都需要此类的一个实例 非终结符表达式NoneTerminalExpression 这也是一个具体的角色,对文法中的每一条规则R::=R1R2.....Rn都需要一个NoneTerminalExpression 类,注意是类,而不是实例 对每一个R1R2...Rn中的符号都持有一个静态类型为AbstractExpression的实例变量; 实现解释操作,主要就是interpret()方法 解释操作以递归的方式调用上面所提到的代表R1R2...Rn中的各个符号的实例变量 上下文角色Context 包含解释器之外的一些全局信息,一般情况下都会需要这个角色 Client 构建表示该文法定义的语言中的一个特定的句子的抽象语法树 抽象语法树由NoneTerminalExpression 和 TerminalExpression的实例组装而成 调用解释器的interpret()方法 终结符和非终结符通俗的说就是不能单独出现在推导式左边的符号,也就是说终结符不能再进行推导,也就是终结符不能被别人定义 除了终结符就是非终结符 从抽象语法树中可以发现,叶子节点就是终结符 除了叶子节点就是非终结符 角色示例解析回到刚才的例子
上面是我们给加减法运算定义的语法规则,由四条规则组成 其中规则value:=integer 表示的就是终结符 所以这是一个TerminalExpression,每一个数字1+2+3+4-5中的1,2,3,4,5就是TerminalExpression的一个实例对象。 对于plus和minus规则,他们不是非终结符,属于NoneTerminalExpression 他们的推导规则分别是通过‘+’和‘-’连接两个expression 也就是角色中说到的“对文法中的每一条规则R::=R1R2.....Rn都需要一个NoneTerminalExpression 类” 也就是说plus表示一条规则,需要一个NoneTerminalExpression类 minus表示一条规则,需要一个NoneTerminalExpression类 expression是value 或者 plus 或者 minus,所以不需要NoneTerminalExpression类了 非终结符由终结符推导而来 NoneTerminalExpression类由TerminalExpression组合而成 所以需要:抽象表达式角色AbstractExpression 在计算过程中,一般需要全局变量保存变量数据 这就是Context角色的一般作用 以最初的加减法为例,我们的句子就是数字和+ - 符号组成 比如 1+2+3+4-5 抽象角色AbstractExpression package interpret;public abstract class AbstractExpression {public abstract int interpret(); } 终结符表达式角色TerminalExpression 内部有一个int类型的value,通过构造方法设置值 package interpret;public class Value extends AbstractExpression {private int value; Value(int value){this.value = value; } @Overridepublic int interpret() {return value; } } 加法NoneTerminalExpression package interpret;public class Plus extends AbstractExpression {private AbstractExpression left;private AbstractExpression right; Plus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right; } @Overridepublic int interpret() {return left.interpret() + right.interpret(); } } 减法 NoneTerminalExpression package interpret;public class Minus extends AbstractExpression {private AbstractExpression left;private AbstractExpression right; Minus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right; } @Overridepublic int interpret() {return left.interpret() - right.interpret(); } } 客户端角色 package interpret;public class Client {public static void main(String[] args) { AbstractExpression expression = new Minus(new Plus(new Plus(new Plus(new Value(1), new Value(2)), new Value(3)), new Value(4)),new Value(5)); System.out.println(expression.interpret()); } } 上面的示例中,完成了解释器模式的基本使用 我们通过不断重复的new 对象的形式,嵌套的构造了一颗抽象语法树 只需要执行interpret 方法即可获取最终的结果 这就是解释器模式的基本原理 非终结符表达式由终结符表达式组合而来,也就是由非终结符表达式嵌套 嵌套就意味着递归,类似下面的方法,除非是终结符表达式,否则会一直递归 int f(int x) {if (1 == x) {return x; } else {return x+f(x-1); } } 上面的示例中,每次使用时,都需要借助于new 按照抽象语法树的形式创建一堆对象 比如计算1+2与3+4 是不是可以转换为公式的形式呢? 也就是仅仅定义一次表达式,不管是1+2 还是3+4还是6+8 都可以计算? 所以我们考虑增加“变量”这一终结符表达式节点 增加变量类Variable 终结符节点 内部包含名称和值,提供值变更的方法 package interpret;public class Variable extends AbstractExpression{ private String name; private Integer value; Variable(String name,Integer value){ this.name = name; this.value = value; } public void setValue(Integer value) { this.value = value; } @Override public int interpret() { return value; } } package interpret;public class Client {public static void main(String[] args) { //定义变量X和Y,初始值都为0 Variable variableX = new Variable("x", 0); Variable variableY = new Variable("y", 0); //计算公式为: X+Y+X-1 AbstractExpression expression2 = new Minus(new Plus(new Plus(variableX, variableY), variableX), new Value(1)); variableX.setValue(1); variableY.setValue(3); System.out.println(expression2.interpret()); variableX.setValue(5); variableY.setValue(6); System.out.println(expression2.interpret()); } } 有了变量类 Variable,就可以借助于变量进行公式的计算 而且,很显然,公式只需要设置一次,而且可以动态设置 通过改变变量的值就可以达到套用公式的目的 一般的做法并不是直接将值设置在变量类里面,变量只有一个名字,将节点所有的值设置到Context类中 Context的作用可以通过示例代码感受下 代码示例完整示例如下 AbstractExpression抽象表达式角色 接受参数Context,如有需要可以从全局空间中获取数据 package interpret.refactor;public abstract class AbstractExpression {public abstract int interpret(Context ctx); } 数值类Value 终结符表达式节点 内部还有int value 他不需要从全局空间获取数据,所以interpret方法中的Context用不到 增加了toString方法,用于呈现 数值类的toString方法直接回显数值的值 package interpret.refactor;public class Value extends AbstractExpression {private int value; Value(int value) {this.value = value; } @Overridepublic int interpret(Context ctx) {return value; } @Overridepublic String toString() {return new Integer(value).toString(); } } 变量类Variable 终结符表达式 变量类拥有名字,使用内部的String name 变量类的真值保存在Context中,Context是借助于hashMap存储的 Context定义的类型为Map<Variable, Integer> 所以,我们重写了equals以及hashCode方法 Variable的值存储在Context这一全局环境中,值也是从中获取 package interpret.refactor;public class Variable extends AbstractExpression {private String name; Variable(String name) {this.name = name; } @Overridepublic int interpret(Context ctx) {return ctx.getValue(this); } @Overridepublic boolean equals(Object obj) {if (obj != null && obj instanceof Variable) {return this.name.equals( ((Variable) obj).name); }return false; } @Overridepublic int hashCode() {return this.toString().hashCode(); } @Overridepublic String toString() {return name; } } 加法跟原来差不多,interpret接受参数Context,如有需要从Context中读取数据 package interpret.refactor;public class Plus extends AbstractExpression {private AbstractExpression left;private AbstractExpression right; Plus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right; } @Overridepublic int interpret(Context ctx) {return left.interpret(ctx) + right.interpret(ctx); } @Overridepublic String toString() {return "(" + left.toString() + " + " + right.toString() + ")"; } } package interpret.refactor;public class Minus extends AbstractExpression {private AbstractExpression left;private AbstractExpression right; Minus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right; } @Overridepublic int interpret(Context ctx) {return left.interpret(ctx) - right.interpret(ctx); } @Overridepublic String toString() {return "(" + left.toString() + " - " + right.toString() + ")"; } } 环境类Context 内部包含一个 private Map<Variable, Integer> map,用于存储变量数据信息 key为Variable 提供设置和获取方法 package interpret.refactor;import java.util.HashMap;import java.util.Map;public class Context {private Map<Variable, Integer> map = new HashMap<Variable, Integer>();public void assign(Variable var, Integer value) { map.put(var, new Integer(value)); }public int getValue(Variable var) { Integer value = map.get(var);return value; } } package interpret.refactor;public class Client {public static void main(String[] args) { Context ctx = new Context(); Variable a = new Variable("a"); Variable b = new Variable("b"); Variable c = new Variable("c"); Variable d = new Variable("d"); Variable e = new Variable("e"); Value v = new Value(1); ctx.assign(a, 1); ctx.assign(b, 2); ctx.assign(c, 3); ctx.assign(d, 4); ctx.assign(e, 5); AbstractExpression expression = new Minus(new Plus(new Plus(new Plus(a, b), c), d), e); System.out.println(expression + "= " + expression.interpret(ctx)); } }
上述客户端测试代码中,我们定义了a,b,c,d,e 五个变量 通过Context赋值,初始化为1,2,3,4,5 然后构造了公式,计算结果 后续只需要设置变量的值即可套用这一公式 如果需要变动公式就修改表达式,如果设置变量就直接改变值即可 这种模式就实现了真正的灵活自由,只要是加减法运算,必然能够运算 不再需要固定的参数列表或者函数式接口,非常灵活 另外对于抽象语法树的生成,你也可以转变形式 比如下面我写了一个简单的方法用于将字符串转换为抽象语法树的Expression /** * 解析字符串,构造抽象语法树 方法只是为了理解:解释器模式 方法默认输入为合法的字符串,没有考虑算法优化、效率或者不合法字符串的异常情况 * * @param sInput 合法的加减法字符串 比如 1+2+3 */ public static AbstractExpression getAST(String sInput) { //接收字符串参数形如 "1+2-3" //将字符串解析到List valueAndSymbolList中存放 List<String> valueAndSymbolList = new ArrayList<>(); //先按照 加法符号 + 拆分为数组,以每个元素为单位使用 +连接起来存入List //如果以+ 分割内部还有减法符号 - 内部以减法符号- 分割 //最终的元素的形式为 1,+,2,-,3 String[] splitByPlus = sInput.split("\\+"); for (int i = 0; i < splitByPlus.length; i++) { if (splitByPlus[i].indexOf("-") < 0) { valueAndSymbolList.add(splitByPlus[i]); } else { String[] splitByMinus = splitByPlus[i].split("\\-"); for (int j = 0; j < splitByMinus.length; j++) { valueAndSymbolList.add(splitByMinus[j]); if (j != splitByMinus.length - 1) { valueAndSymbolList.add("-"); } } } if (i != splitByPlus.length - 1) { valueAndSymbolList.add("+"); } } //经过前面处理元素的形式为 1,+,2,-,3 //转换为抽象语法树的形式 AbstractExpression leftExpression = null; AbstractExpression rightExpression = null; int k = 0; while (k < valueAndSymbolList.size()) { if (!valueAndSymbolList.get(k).equals("+") && !valueAndSymbolList.get(k).equals("-")) { rightExpression = new Value(Integer.parseInt(valueAndSymbolList.get(k))); if (leftExpression == null) { leftExpression = rightExpression; } } k++; if (k < valueAndSymbolList.size()) { rightExpression = new Value(Integer.parseInt(valueAndSymbolList.get(k + 1))); if (valueAndSymbolList.get(k).equals("+")) { leftExpression = new Plus(leftExpression, rightExpression); } else if (valueAndSymbolList.get(k).equals("-")) { leftExpression = new Minus(leftExpression, rightExpression); } k++; } } return leftExpression; } 通过上面的这个方法,我们就可以直接解析字符串了 总结解释器模式是用于解析一种“语言”,对于使用频率较高的,模式、公式化的场景,可以考虑使用解释器模式。 比如正则表达式,将“匹配”这一语法,定义为一种语言 浏览器对于HTML的解析,将HTML文档的结构定义为一种语言 我们上面的例子,将加减运算规则定义为一种语言 所以,使用解释器模式要注意“高频”“公式”“格式”这几个关键词 解释器模式将语法规则抽象的表述为类 解释器模式为自定义语言的设计和实现提供了一种解决方案,它用于定义一组文法规则并通过这组文法规则来解释语言中的句子。 解释器模式非常容易扩展,如果增加新的运算符,比如乘除,只需要增加新的非终结符表达式即可 改变和扩展语言的规则非常灵活 非终结符表达式是由终结符表达式构成,基本上需要借助于嵌套,递归,所以代码本身一般比较简单 像我们上面那样, Plus和Minus 的代码差异很小 如果语言比较复杂,显然,就会需要定义大量的类来处理 解释器模式中大量的使用了递归嵌套,所以说它的性能是很有问题的,如果你的系统是性能敏感的,你就更要慎重的使用 据说解释器模式在实际的系统开发中使用得非常少,另外也有一些开源工具 Expression4J、MESP(Math Expression String Parser)、Jep 所以不要自己实现 另外还需要注意的是,从我们上面的示例代码中可以看得出来 解释器模式的重点在于AbstractExpression、TerminalExpression、NoneTerminalExpression的提取抽象 也就是对于文法规则的映射转换 而至于如何转换为抽象语法树,这是客户端的责任 我们的示例中可以通过new不断地嵌套创建expression对象 也可以通过方法解析抽象语法树,都可以根据实际场景处理 简言之,解释器模式不关注抽象语法树的创建,仅仅关注解析处理 所以个人看法: 但凡你的问题场景可以抽象为一种语言,也就是有规则、公式,有套路就可以使用解释器模式 不过如果有替代方法,能不用就不用 如果非要用,你也不要自己写
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