解釋器模式（Interpreter）
考慮上圖中計算器的例子
設計可以用於計算加減運算（簡單起見，省略乘除），你會怎么做？
你可能會定義一個工具類，工具類中有N多靜態方法
比如定義了兩個方法用於計算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; }
但是很明顯，如果形式有限，那么可以針對對應的形式進行編程
如果形勢變化非常多，這就不符合要求，因為加法和減法運算，兩個運算符與數值可以有無窮種組合方式
比如 a+b+c+d+e+f、a-b-c+d、a-b+c....等等
用有限的方法參數列表組合的形式，怎么可能表達出無窮的變化？
也可以通過函數式接口，能夠提高一定的靈活性
package function; @FunctionalInterface public 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); }
好處是可以動態的自定義方程式，但是你可能需要定義很多函數式接口
而且，有限的函數式接口也不能解決無限種可能的
上面的方式都是以有限去應對無限，必然有行不通的時候
顯然，你需要一種翻譯識別機器，能夠解析由數字以及+ - 符號構成的合法的運算序列
如果把運算符和數字都看作節點的話，能夠逐個節點的進行讀取解析運算
這就是解釋器模式的思維
解釋器不限定具體的格式，僅僅限定語法，能夠識別遵循這種語法的“語言”書寫的句子
不固定你的形式，也就是不存在強制為a+b的情形，但是你必須遵循固定語法，數字和 + - 符號組成
Java編譯器可以識別遵循java語法的表達式和語句，C語言編譯器可以識別遵循C語言語法的表達式和語句。說的就是這個意思
意圖
給定一個語言，定義他的文法的一種表示，並定義一個解釋器，這個解釋器使用該表示來解釋語言中的句子。
解釋器模式其實就是編譯原理的思維方式
如果某種特定類型的問題發生的頻率很高，那么就可以考慮將該問題的各個實例表述為一個簡單語言中的句子，通過解釋器進行識別。
經典的案例就是正則表達式
我們在實際開發中，經常需要判斷郵箱地址、手機號碼是否正確，如果沒有正則表達式
我們需要編寫特定的算法函數進行判斷，去實現這些規則，比如一個算法可能用來判斷是否是郵箱，比如要求必須有@符號
正則表達式是用來解決字符串匹配的問題，他是解釋器模式思維的一個運用實例
通過定義正則表達式的語法結構，進而通過表達式定義待匹配字符的集合，然后通過通用的算法來解釋執行正則表達式
解釋器模式將語法規則抽象出來，設置通用的語法規則，然后使用通用算法執行
使用正則表達式你不在需要自己手動實現算法去實現規則，你只需要按照正則表達式的語法，對你需要匹配的字符集合進行描述即可
有現成的通用算法來幫你實現，而語法相對於算法的實現，自然是簡單了很多
再比如瀏覽器解析HTML，我們知道HTML頁面是由固定的元素組成的，有他的語法結構
但是一個HTML頁面的標簽的個數以及標簽內容的組合形式卻是千變萬化的，但是瀏覽器可以正確的將他們解析呈現出來
這也是一種解釋器的模型
在解釋器模式中，我們需要
將待解決的問題，提取出規則，抽象為一種“語言”
比如加減法運算，規則為：有數值和+- 符號組成的合法序列
加減法運算就不能有乘除，否則就不符合語法
“1+2+3”就是這種語言的一個句子
比如遙控汽車的操作按鈕，規則為：由前進、后退、左轉、右轉四種指令組成
遙控汽車就不能有起飛，否則就是不符合語法的
“前進 左轉 后退 前進 后退”就是這種語言的一個句子
解釋器就是要解析出來語句的含義
既然需要將待解決的問題場景提取出規則，那么
如何描述規則呢？
語法規則描述
對於語法規則的定義，也有一套規范用於描述
Backus-Naur符號（就是眾所周知的BNF或Backus-Naur Form）是描述語言的形式化的數學方法
叫做范式，此后又有擴展的，叫做EBNF
| 范式基本規則 |
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::= 表示定義，由什么推導出
尖括號 < > 內為必選項；
方括號 [ ] 內為可選項；
大括號 { } 內為可重復0至無數次的項；
圓括號 ( ) 內的所有項為一組，用來控制表達式的優先級
豎線 | 表示或，左右的其中一個
引號內為字符本身，引號外為語法(比如 'for'表示關鍵字for )
|
有了規則我們就可以對語法進行描述，這是解釋器模式的基礎工作
比如加減法運算可以這樣定義
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expression：=value | plus | minus
plus：=expression ‘+’ expression
minus：=expression ‘-’ expression
value：=integer
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值的類型為整型數
有加法規則和減法規則
表達式可以是一個值，也可以是一個plus或者minus
而plus和minus又是由表達式結合運算符構成
可以看得出來，有遞歸嵌套的概念
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抽象語法樹
除了使用文法規則來定義規則，還可以通過抽象語法樹的圖形方式直觀的表示語言的構成
文法規則描述了所有的場景，所有條件匹配的都是符合的，不匹配的都是不符合的
符合語法規則的一個“句子”就是語言規則的一個實例
抽象語法樹正是對於這個實例的一個描述
一顆抽象語法樹對應着語言規則的一個實例
關於抽象語法樹百科中這樣介紹
在計算機科學中，抽象語法樹（abstract syntax tree 或者縮寫為 AST），或者語法樹（syntax tree）
是源代碼的抽象語法結構的樹狀表現形式，這里特指編程語言的源代碼。
樹上的每個節點都表示源代碼中的一種結構。
之所以說語法是「抽象」的，是因為這里的語法並不會表示出真實語法中出現的每個細節。
比如 1+2+3+4-5是一個實例
所以說文法規則用於描述語言規則，抽象語法樹描述描述語言的一個實例，也就是一個“句子”
結構
抽象表達式角色AbstractExpression
聲明一個抽象的解釋操作，所有的具體表達式操作都需要實現的抽象接口
接口主要是interpret()方法，叫做解釋操作
終結符表達式角色TerminalExpression
這是一個具體角色，實現與文法中的終結符相關聯的解釋操作，主要就是interpret()方法
一個句子中的每個終結符都需要此類的一個實例
非終結符表達式NoneTerminalExpression
這也是一個具體的角色，對文法中的每一條規則R::=R1R2.....Rn都需要一個NoneTerminalExpression 類，注意是類，而不是實例
對每一個R1R2...Rn中的符號都持有一個靜態類型為AbstractExpression的實例變量；
實現解釋操作，主要就是interpret()方法
解釋操作以遞歸的方式調用上面所提到的代表R1R2...Rn中的各個符號的實例變量
上下文角色Context
包含解釋器之外的一些全局信息，一般情況下都會需要這個角色
Client
構建表示該文法定義的語言中的一個特定的句子的抽象語法樹
抽象語法樹由NoneTerminalExpression 和 TerminalExpression的實例組裝而成
調用解釋器的interpret（）方法
終結符和非終結符
通俗的說就是
不能單獨出現在推導式左邊的符號，也就是說終結符不能再進行推導，也就是終結符不能被別人定義
除了終結符就是非終結符
從抽象語法樹中可以發現，
葉子節點就是終結符 除了葉子節點就是非終結符
角色示例解析
回到剛才的例子
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expression：=value | plus | minus
plus：=expression ‘+’ expression
minus：=expression ‘-’ expression
value：=integer
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上面是我們給加減法運算定義的語法規則，由四條規則組成
其中規則value：=integer 表示的就是終結符
所以這是一個TerminalExpression，每一個數字1+2+3+4-5中的1,2,3,4,5就是TerminalExpression的一個實例對象。
對於plus和minus規則，他們不是非終結符，屬於NoneTerminalExpression
他們的推導規則分別是通過‘+’和‘-’連接兩個expression
也就是角色中說到的“對文法中的每一條規則R::=R1R2.....Rn都需要一個NoneTerminalExpression 類”
也就是說plus表示一條規則，需要一個NoneTerminalExpression類
minus表示一條規則，需要一個NoneTerminalExpression類
expression是value 或者 plus 或者 minus，所以不需要NoneTerminalExpression類了
非終結符由終結符推導而來
NoneTerminalExpression類由TerminalExpression組合而成
所以需要：抽象表達式角色AbstractExpression
在計算過程中，一般需要全局變量保存變量數據
這就是Context角色的一般作用
以最初的加減法為例，我們的句子就是數字和+ - 符號組成
比如 1+2+3+4-5
抽象角色AbstractExpression
package interpret; public abstract class AbstractExpression { public abstract int interpret(); }
終結符表達式角色TerminalExpression
內部有一個int類型的value，通過構造方法設置值
package interpret; public class Value extends AbstractExpression { private int value; Value(int value){ this.value = value; } @Override public 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; } @Override public int interpret() { return left.interpret() + right.interpret(); } }
減法 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; } @Override public int interpret() { return left.interpret() - right.interpret(); } }
客戶端角色
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，完成了解釋器模式的基本使用
我們通過不斷重復的new 對象的形式，嵌套的構造了一顆抽象語法樹
只需要執行interpret 方法即可獲取最終的結果
這就是解釋器模式的基本原理
非終結符表達式由終結符表達式組合而來，也就是由非終結符表達式嵌套
嵌套就意味着遞歸，類似下面的方法，除非是終結符表達式，否則會一直遞歸
int f(int x) { if (1 == x) { return x; } else { return x+f(x-1); } }
上面的示例中，每次使用時，都需要借助於new 按照抽象語法樹的形式創建一堆對象
比如計算1+2與3+4
是不是可以轉換為公式的形式呢?
也就是僅僅定義一次表達式，不管是1+2 還是3+4還是6+8 都可以計算？
所以我們考慮增加“變量”這一終結符表達式節點
增加變量類Variable 終結符節點
內部包含名稱和值，提供值變更的方法
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) { //定義變量X和Y,初始值都為0 Variable variableX = new Variable("x", 0); Variable variableY = new Variable("y", 0); //計算公式為: 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()); } }
有了變量類 Variable，就可以借助於變量進行公式的計算
而且，很顯然，
公式只需要設置一次，而且可以動態設置
通過改變變量的值就可以達到套用公式的目的
一般的做法並不是直接將值設置在變量類里面，變量只有一個名字，將節點所有的值設置到Context類中
Context的作用可以通過示例代碼感受下
代碼示例
完整示例如下
AbstractExpression抽象表達式角色 接受參數Context，如有需要可以從全局空間中獲取數據
package interpret.refactor; public abstract class AbstractExpression { public abstract int interpret(Context ctx); }
數值類Value 終結符表達式節點
內部還有int value
他不需要從全局空間獲取數據，所以interpret方法中的Context用不到
增加了toString方法，用於呈現 數值類的toString方法直接回顯數值的值
package interpret.refactor; public class Value extends AbstractExpression { private int value; Value(int value) { this.value = value; } @Override public int interpret(Context ctx) { return value; } @Override public String toString() { return new Integer(value).toString(); } }
變量類Variable 終結符表達式
變量類擁有名字，使用內部的String name
變量類的真值保存在Context中，Context是借助於hashMap存儲的
Context定義的類型為Map<Variable, Integer>
所以，我們重寫了equals以及hashCode方法
Variable的值存儲在Context這一全局環境中，值也是從中獲取
package interpret.refactor; public class Variable extends AbstractExpression { private String name; Variable(String name) { this.name = name; } @Override public int interpret(Context ctx) { return ctx.getValue(this); } @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; } }
加法跟原來差不多，interpret接受參數Context，如有需要從Context中讀取數據
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; } @Override public int interpret(Context ctx) { return left.interpret(ctx) + right.interpret(ctx); } @Override public 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; } @Override public int interpret(Context ctx) { return left.interpret(ctx) - right.interpret(ctx); } @Override public String toString() { return "(" + left.toString() + " - " + right.toString() + ")"; } }
環境類Context
內部包含一個 private Map<Variable, Integer> map，用於存儲變量數據信息
key為Variable 提供設置和獲取方法
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)); } }
上述客戶端測試代碼中，我們定義了a，b，c，d，e 五個變量
通過Context賦值，初始化為1，2，3，4，5
然后構造了公式，計算結果
后續只需要設置變量的值即可套用這一公式
如果需要變動公式就修改表達式，如果設置變量就直接改變值即可
這種模式就實現了真正的靈活自由，只要是加減法運算，必然能夠運算
不再需要固定的參數列表或者函數式接口，非常靈活
另外對於抽象語法樹的生成，你也可以轉變形式
比如下面我寫了一個簡單的方法用於將字符串轉換為抽象語法樹的Expression
/** * 解析字符串,構造抽象語法樹 方法只是為了理解：解釋器模式 方法默認輸入為合法的字符串，沒有考慮算法優化、效率或者不合法字符串的異常情況 * * @param sInput 合法的加減法字符串 比如 1+2+3 */ public static AbstractExpression getAST(String sInput) { //接收字符串參數形如 "1+2-3" //將字符串解析到List valueAndSymbolList中存放 List<String> valueAndSymbolList = new ArrayList<>(); //先按照 加法符號 + 拆分為數組,以每個元素為單位使用 +連接起來存入List //如果以+ 分割內部還有減法符號 - 內部以減法符號- 分割 //最終的元素的形式為 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("+"); } } //經過前面處理元素的形式為 1,+,2,-,3 //轉換為抽象語法樹的形式 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; }
通過上面的這個方法,我們就可以直接解析字符串了
總結
解釋器模式是用於解析一種“語言”，對於使用頻率較高的，模式、公式化的場景，可以考慮使用解釋器模式。
比如正則表達式，將“匹配”這一語法，定義為一種語言
瀏覽器對於HTML的解析，將HTML文檔的結構定義為一種語言
我們上面的例子，將加減運算規則定義為一種語言
所以，使用解釋器模式要注意“
高頻”“
公式”“
格式”這幾個關鍵詞
解釋器模式將語法規則抽象的表述為類
解釋器模式
為自定義語言的設計和實現提供了一種解決方案，它用於定義一組文法規則並通過這組文法規則來解釋語言中的句子。
解釋器模式非常容易擴展，如果增加新的運算符，比如乘除，只需要增加新的非終結符表達式即可
改變和擴展語言的規則非常靈活
非終結符表達式是由終結符表達式構成，基本上需要借助於嵌套，遞歸，所以代碼本身一般比較簡單
像我們上面那樣， Plus和Minus 的代碼差異很小
如果語言比較復雜，顯然，就會需要定義大量的類來處理
解釋器模式中
大量的使用了遞歸嵌套，所以說它的
性能是很有問題的，如果你的系統是性能敏感的，你就更要慎重的使用
據說解釋器模式在實際的系統開發中使用得非常少，另外也有一些開源工具
Expression4J、MESP（Math Expression String Parser）、Jep
所以
不要自己實現
另外還需要注意的是，從我們上面的示例代碼中可以看得出來
解釋器模式的重點在於AbstractExpression、TerminalExpression、NoneTerminalExpression的提取抽象
也就是對於文法規則的映射轉換
而至於如何轉換為抽象語法樹，這是客戶端的責任
我們的示例中可以通過new不斷地嵌套創建expression對象
也可以通過方法解析抽象語法樹，都可以根據實際場景處理
簡言之，
解釋器模式不關注抽象語法樹的創建，僅僅關注解析處理
所以個人看法：
但凡你的問題場景可以抽象為一種語言，也就是有規則、公式，有套路就可以使用解釋器模式
不過如果有替代方法，能不用就不用
如果非要用，你也不要自己寫