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解釋器是一種不常使用的設(shè)計(jì)模式，它用于描述如何構(gòu)成一個簡單的語言解釋器，主要應(yīng)用于使用面向?qū)ο笳Z言開發(fā)的編譯器和解釋器設(shè)計(jì)。當(dāng)我們需要開發(fā)一個新的語言時，可以考慮使用解釋器模式

模式動機(jī)

如果在系統(tǒng)中某一特定類型的問題發(fā)生的頻率很高，此時可以考慮將這些問題的實(shí)例表述為一個語言中的句子。再構(gòu)建一個解釋器，解釋器通過解釋這些句子來解決對應(yīng)的問題。

舉個例子，我們希望系統(tǒng)提供一個功能來支持一種新的加減法表達(dá)式語言，當(dāng)輸入表達(dá)式為 "1 + 2 + 3 - 4 + 1" 時，輸出計(jì)算結(jié)果為 3。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要對輸入表達(dá)式進(jìn)行解釋，如果不作解釋，直接把 "1 + 2 + 3 - 4 + 1" 丟過去，現(xiàn)有的如 Java、C 之類的編程語言只會把它當(dāng)作普通的字符串，不可能實(shí)現(xiàn)我們想要的計(jì)算效果。我們必須自己定義一套規(guī)則來實(shí)現(xiàn)該語句的解釋，即實(shí)現(xiàn)一個簡單語言來解釋這些句子，這就是解釋器模式的模式動機(jī)。

模式定義

定義語言的文法，并且建立一個解釋器來解釋該語言中的句子，這里的 “語言” 意思是使用規(guī)定格式和語法的代碼，它是一種類行為型模式。

模式結(jié)構(gòu)

AbstractExpression（抽象表達(dá)式）

聲明了抽象的解釋操作，它是所有終結(jié)符表達(dá)式和非終結(jié)符表達(dá)式的公共父類
TerminalExpression（終結(jié)符表達(dá)式）

抽象表達(dá)式的子類，實(shí)現(xiàn)了文法中的終結(jié)符相關(guān)聯(lián)的解釋操作，在句子中每一個終結(jié)符都是該類的一個實(shí)例。
NonterminalExpression（非終結(jié)符表達(dá)式）

也是抽象表達(dá)式的子類，實(shí)現(xiàn)了文法中的非終結(jié)符相關(guān)聯(lián)的解釋操作，非終結(jié)符表達(dá)式中可以包含終結(jié)符表達(dá)式，也可以繼續(xù)包含非終結(jié)符表達(dá)式，因此其解釋操作一般通過遞歸方式來完成。
Context（環(huán)境類）

環(huán)境類又稱上下文類，它用于存儲解釋器之外的一些全局信息，通常它臨時存儲了需要解釋的語句。
Client（客戶類）

客戶類中構(gòu)造了表示以規(guī)定文法定義的一個特定句子的抽象語法樹，該抽象語法樹由非終結(jié)符表達(dá)式和終結(jié)符表達(dá)式實(shí)例組合而成。在客戶類中還將調(diào)用解釋操作，實(shí)現(xiàn)對句子的解釋，有時候?yàn)榱撕喕蛻纛惔a，也可以將抽象語法樹的構(gòu)造工作封裝到專門的類中完成，客戶端只需提供待解釋的句子并調(diào)用該類的解釋操作即可，該類可以稱為解釋器封裝類

模式分析

還是以之前提到的加減法表達(dá)式語言來舉例，我們要為這門語言定義語法規(guī)則，可以使用如下文法來定義

expression ::= value | symbol
symbol ::= expression '+' expression | expression '-' expression
value ::= an integer// 一個整數(shù)值

該文法規(guī)則包含三條定義語句，第一句是表達(dá)式的組成方式，expression 是我們最終要得到的句子，假設(shè)是 "1 + 2 + 3 - 4 + 1"，那么該句的組成元素?zé)o非就是兩種，數(shù)字（value）和運(yùn)算符號（symbol），如果用專業(yè)術(shù)語來描述的話，symbol 和 value 稱為語法構(gòu)造成分或語法單位。根據(jù)句子定義，expression 要么是一個 value，要么是一個 symbol。

value 是一個終結(jié)符表達(dá)式，因?yàn)樗慕M成元素就是一個整數(shù)值，不能再進(jìn)行分解。與之對應(yīng)的 symbol 則是非終結(jié)符表達(dá)式，它的組成元素仍舊可以是表達(dá)式 expression，expression 又可以是 value 或者 symbol，即可以進(jìn)一步分解。

按照上述的文法規(guī)則，我們可以通過一種稱之為抽象語法樹（Abstract Syntax Tree）的圖形方式來直觀地表示語言的構(gòu)成，每一顆抽象語法樹對應(yīng)一個語言實(shí)例，如 "1 + 2 + 3 - 4 + 1" 可以通過如圖的抽象語法樹來表示。

每一個具體的語句都可以用類似的抽象語法樹來表示，終結(jié)符表達(dá)式類的實(shí)例作為樹的葉子節(jié)點(diǎn)，而非終結(jié)符表達(dá)式類的實(shí)例作為非葉子節(jié)點(diǎn)。抽象語法樹描述了如何構(gòu)成一個復(fù)雜的句子，通過對抽象語法樹的分析，可以識別出語言中的終結(jié)符和非終結(jié)符類。

在解釋器模式中，每一個終結(jié)符和非終結(jié)符都有一個具體類與之對應(yīng)，正因?yàn)槭褂妙悂肀硎久恳粋€語法規(guī)則，使得系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性和靈活性。對于所有的終結(jié)符和非終結(jié)符，首先要抽象出一個公共父類

public abstract class AbstractExpression {
    public abstract void interpret(Context ctx);
}

對于終結(jié)符表達(dá)式，其代碼主要是對終結(jié)符元素的處理

public class TerminalExpression extends AbstractExpression {
    public void interpret(Context ctx) {
        // 對于終結(jié)符表達(dá)式的解釋操作
    }
}

對于終結(jié)符表達(dá)式，其代碼比較復(fù)雜，因?yàn)橥ㄟ^非終結(jié)符表達(dá)式可以將表達(dá)式組合成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。表達(dá)式可以通過非終結(jié)符連接在一起，對于兩個操作元素的非終結(jié)符表達(dá)式，其典型代碼如下

public class NonterminalExpression extends AbstractExpression {
    
    private AbstractExpression left;
    private AbstractExpression right;
    
    public NonterminalExpression(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
    
    public void interpret(Context ctx) {
        // 遞歸調(diào)用每一個組成部分的 interpret() 方法
        // 在遞歸調(diào)用時指定組成部分的連接方式，即非終結(jié)符的功能
    }
}

通常在解釋器模式中還提供了一個環(huán)境類 Context，用于存儲一些全局信息，用于在進(jìn)行具體的解釋操作時從中獲取相關(guān)信息。當(dāng)系統(tǒng)無須提供全局公共信息時，可以省略環(huán)境類

public class Context {
    
    private HashMap map = new HashMap();
    
    public void assign(String key, String value) {
        // 往環(huán)境類中設(shè)值
    }
    public void lookup(String key) {
        // 獲取存儲在環(huán)境類中的值
    }
}

模式實(shí)例

現(xiàn)需構(gòu)造一個語言解釋器，使系統(tǒng)可以執(zhí)行整數(shù)間的乘、除和求模運(yùn)算。當(dāng)用戶輸入表達(dá)式 "3 * 4 / 2 % 4"，輸出結(jié)果為 2

抽象表達(dá)式類 Node（抽象節(jié)點(diǎn)）
```
public interface Node {
    public int interpret();
}
```

終結(jié)符表達(dá)式類 ValueNode（值節(jié)點(diǎn)類）

public class ValueNode implements Node {

    private int value;

    public ValueNode(int value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return this.value;
    }
}

抽象非終結(jié)符表達(dá)式類 SymbolNode（符號節(jié)點(diǎn)類）

public abstract class SymbolNode implements Node {

    protected Node left;
    protected Node right;

    public SymbolNode(Node left, Node right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
}

非終結(jié)符表達(dá)式類 MulNode（乘法節(jié)點(diǎn)類）

public class MulNode extends SymbolNode {

    public MulNode(Node left, Node right) {
        super(left, right);
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return super.left.interpret() * super.right.interpret();
    }
}

非終結(jié)符表達(dá)式類 DivNode（除法節(jié)點(diǎn)類）

public class DivNode extends SymbolNode {

    public DivNode(Node left, Node right) {
        super(left, right);
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return super.left.interpret() / super.right.interpret();
    }
}

非終結(jié)符表達(dá)式類 ModNode（求模節(jié)點(diǎn)類）

public class ModNode extends SymbolNode {

    public ModNode(Node left, Node right) {
        super(left, right);
    }

    @Override
    public int interpret() {
        return super.left.interpret() % super.right.interpret();
    }
}

解釋器封裝類 Calculator（計(jì)算器類）

Calculator 類是本實(shí)例的核心類之一，Calculator 類中定義了如何構(gòu)造一棵抽象語法樹，在構(gòu)造過程中使用了棧結(jié)構(gòu) Stack。通過一連串判斷語句判斷字符，如果是數(shù)字，實(shí)例化終結(jié)符表達(dá)式類 ValueNode 并壓棧；如果判斷為運(yùn)算符號，則取出棧頂內(nèi)容作為其左表達(dá)式，而將之后輸入的數(shù)字封裝在 ValueNode 類型的對象作為其右表達(dá)式，創(chuàng)建非終結(jié)符表達(dá)式 MulNode 類型的對象，最后將該表達(dá)式壓棧。

public class Calculator {

    private String statement;
    private Node node;

    public void build(String statement) {

        Node left = null, right = null;
        Stack<Node> stack = new Stack<Node>();

        String[] statementArr = statement.split(" ");

        for (int i = 0; i < statementArr.length; i++) {
            if (statementArr[i].equalsIgnoreCase(("*"))) {
                left = stack.pop();
                int val = Integer.parseInt(statementArr[++i]);
                right = new ValueNode(val);
                stack.push(new MulNode(left, right));
            } else if (statementArr[i].equalsIgnoreCase(("/"))) {
                left = stack.pop();
                int val = Integer.parseInt(statementArr[++i]);
                right = new ValueNode(val);
                stack.push(new DivNode(left, right));
            } else if (statementArr[i].equalsIgnoreCase(("%"))) {
                left = stack.pop();
                int val = Integer.parseInt(statementArr[++i]);
                right = new ValueNode(val);
                stack.push(new ModNode(left, right));
            } else {
                stack.push(new ValueNode(Integer.parseInt(statementArr[i])));
            }
        }
        this.node = stack.pop();
    }

    public int compute() {
        return node.interpret();
    }
}

客戶端測試類 Client

程序執(zhí)行時將遞歸調(diào)用每一個表達(dá)式類的 interpret() 的解釋方法，最終完成對整棵抽象語法樹的解釋。

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        String statement = "3 * 4 / 2 % 4";
        Calculator calculator = new Calculator();
        calculator.build(statement);
        int result = calculator.compute();
        System.out.println(statement + " = " + result);
    }
}

運(yùn)行結(jié)果

模式優(yōu)缺點(diǎn)

解釋器模式優(yōu)點(diǎn)如下：

易于改變和擴(kuò)展文法。由于使用類來表示語言的文法規(guī)則，可以通過繼承機(jī)制來改變或擴(kuò)展文法。
易于實(shí)現(xiàn)文法。抽象語法樹中每一個節(jié)點(diǎn)類的實(shí)現(xiàn)方式都是相似的，編寫并不復(fù)雜。
增加了新的解釋表達(dá)式的方式。增加新的表達(dá)式時無須對現(xiàn)有表達(dá)式類進(jìn)行修改，符合開閉原則

解釋器模式缺點(diǎn)如下：

對于復(fù)雜文法難以維護(hù)。
執(zhí)行效率低。解釋器模式使用了大量循環(huán)和遞歸調(diào)用。
應(yīng)用場景有限。

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