Java设计模式——解释器模式【Interpreter Pattern】

川长思鸟来 2022-09-10 10:10 195阅读 0赞

## 一、引言 ##

23种设计模式大概分为三大类：

5种（创建型模式）：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、原型模式、建造者模式。

7种（结构型模式）：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

11种（行为型模式）：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代器模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

行为型又可以通过类与类之间的关系进行划分 :  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p4ZDE0MzU1MTM3NzU_size_16_color_FFFFFF_t_70]

解释器模式基本介绍：

*  在编译原理中，一个算术表达式通过词法分析器形成词法单元，而后这些词法单元再通过语法分析器构建语法分析树，最终形成一颗抽象的语法分析树。这里的词法分析器和语法分析器都可以看做是解释器
 *  解释器模式（Interpreter Pattern）：是指给定一个语言(表达式)，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，使用该解释器来解释语言中的句子(表达式)
 *  应用场景
    
     *  可以将一个需要解释执行的语言中的句子表示为一个抽象语法树
     *  一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来表达
     *  一个简单语法需要解释的场景

## 二、解释器模式 ##

### 1.解释器模式原理类图 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5q2i5q2l5YmN6KGM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

对原理类图的说明：

*  Context: 是环境角色,含有解释器之外的全局信息
 *  AbstractExpression: 抽象表达式，声明一个抽象的解释操作interpret(),这个方法为抽象语法树中所有的节点所共享
 *  TerminalExpression: 为终结符表达式, 实现与文法中的终结符相关的解释操作
 *  NonTermialExpression: 为非终结符表达式，为文法中的非终结符实现解释操作

> 说明：输入 Context 和 TerminalExpression 信息通过 Client 输入即可

## 三、具体需求 ##

### 1.四则运算问题 ###

*  先输入表达式的形式，比如 a+b+c-d+e, 要求表达式的字母不能重复
 *  再分别输入 a ,b, c, d, e 的值
 *  最后求出结果：如图(简单起见，只考虑加减)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5q2i5q2l5YmN6KGM_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

### 2.传统方案 ###

传统方式的问题分析：

*  编写一个方法，接收表达式的形式，然后根据用户输入的数值进行解析，得到结果
 *  问题分析：如果加入新的运算符，比如 \* / () 等等，不利于扩展；另外让一个方法来解析会造成程序结构混乱，不够清晰
 *  解决方案：可以考虑使用解释器模式，即：表达式 ->解释器(可以有多种)->结果

### 3. 解释器模式方案 ###

思路分析 - 类图

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说明：

*  Expression：抽象类
 *  VarExpression：针对变量的解释器
 *  SymbolExpression：针对符号的解释器（非终结，即它还有子类）

具体实现

// 抽象类表达式：通过HashMap的键值对可以获取各个变量的值ֵ Expression.java
    public abstract class Expression { 
    	//解释公式和数值的关系：key就是公式(表达式,如a + b - c) 参数(如a,b,c..)
    	//value就是具体的值ֵ，即最终HashMap中存放的就是各个变量的值，如HashMap {a=10, b=20}
    	public abstract int interpreter(HashMap<String, Integer> var);
    }
    
    // 变量的解析器 VarExpression.java
    public class VarExpression extends Expression { 
    	private String key; // key=a,key=b,key=c
    
    	public VarExpression(String key) { 
    		this.key = key;
    	}
    
    	// var 得到的就是 {a=10, b=20}
    	// interpreter的作用：根据变量的名称返回对应的值ֵ
    	@Override
    	public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) { 
    		return var.get(this.key);
    	}
    }
    
    // SymbolExpression.java
    /** * 抽象运算符号解析器： * 1）每个运算符号都只和自己的左右两个数字有关系 * 2）同时，左右两个数字可能也是一个解析的结果 * 3）无论何种类型，都是Expression的实现类 */
    public class SymbolExpression extends Expression { 
    	protected Expression left;
    	protected Expression right;
    
    	public SymbolExpression(Expression left, Expression right) { 
    		this.left = left;
    		this.right = right;
    	}
    
    	//因为SymbolExpression是让其子类来实现的，因此interpreter()是一个默认实现
    	@Override
    	public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) { 
    		return 0;
    	}
    }
    
    //加法解释器 AddExpression.java
    public class AddExpression extends SymbolExpression  { 
    	public AddExpression(Expression left, Expression right) { 
    		super(left, right);
    	}
    
    	//处理“+”
    	//var即{a=10,b=20...}(值key)
    	public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) { 
    		//super.left.interpreter(var)：返回left表达式对应的值，比如a对应的值是10
    		//super.right.interpreter(var):返回right表达式对应的值，比如b对应的值是20
    		return super.left.interpreter(var) + super.right.interpreter(var);
    	}
    }
    
    //减法解释器 SubExpression.java
    public class SubExpression extends SymbolExpression { 
    	public SubExpression(Expression left, Expression right) { 
    		super(left, right);
    	}
    
    	//求出left与right表达式相减的结果
    	public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) { 
    		return super.left.interpreter(var) - super.right.interpreter(var);
    	}
    }
    
    // Calculator.java
    public class Calculator { 
    	//定义表达式
    	private Expression expression;
    
    	//构造函数传参 并解析
    	public Calculator(String expStr) {  //如传入的expStr = a+b
    		// 安排运算先后顺序
    		Stack<Expression> stack = new Stack<>();
    		// 表达式拆分成字符数组
    		char[] charArray = expStr.toCharArray();//expStr拆分为 [a, +, b]
    
    		Expression left = null;
    		Expression right = null;
    		//遍历字符数组，即遍历 [a, +, b]，针对不同的情况做相应的处理
    		for (int i = 0; i < charArray.length; i++) { 
    			switch (charArray[i]) { 
    			case '+': 
    				left = stack.pop();//先从栈中弹出left => "a"
    				right = new VarExpression(String.valueOf(charArray[++i]));// 取出left表达式 => "b"
    				stack.push(new AddExpression(left, right));// 根据得到的left和right对象构建 AddExpresson 并加入stack中
    				break;
    			case '-': // 
    				left = stack.pop();
    				right = new VarExpression(String.valueOf(charArray[++i]));
    				stack.push(new SubExpression(left, right));
    				break;
    			default: 
    				//如果是一个Var(变量)，就创建一个VarExpression对象，并push到栈中
    				stack.push(new VarExpression(String.valueOf(charArray[i])));
    				break;
    			}
    		}
    		//当遍历完整个charArray数组后，stack中就得到了最后的Expression
    		this.expression = stack.pop();
    	}
    
    	public int run(HashMap<String, Integer> var) { 
    		//将表达式a+b和var：{a=10,b=20}绑定
    		//然后传递给expression的interpreter进行处理/解释执行
    		return this.expression.interpreter(var);
    	}
    }
    
    // ClientTest.java
    public class ClientTest { 
    	public static void main(String[] args) throws IOException { 
    		String expStr = getExpStr(); // 如：a+b
    		HashMap<String, Integer> var = getValue(expStr);// var：{a=10, b=20}
    		Calculator calculator = new Calculator(expStr);
    		System.out.println("运算结果：" + expStr + "=" + calculator.run(var));
    	}
    
    	//获得表达式
    	public static String getExpStr() throws IOException { 
    		System.out.print("请输入表达式：");
    		return (new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))).readLine();
    	}
    
    	//获得值映射
    	public static HashMap<String, Integer> getValue(String expStr) throws IOException { 
    		HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
    
    		for (char ch : expStr.toCharArray()) { 
    			if (ch != '+' && ch != '-') { 
    				if (!map.containsKey(String.valueOf(ch))) { 
    					System.out.print("请输入" + String.valueOf(ch) + "的值：");
    					String in = (new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))).readLine();
    					map.put(String.valueOf(ch), Integer.valueOf(in));
    				}
    			}
    		}
    		return map;
    	}
    }

## 四、注意事项和细节 ##

*  当有一个语言需要解释执行，可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树，就可以考虑使用解释器模式，让程序具有良好的扩展性
 *  应用场景：编译器、运算表达式计算、正则表达式、机器人等
 *  使用解释器可能带来的问题：解释器模式会引起类膨胀；解释器模式采用递归调用方法，将会导致调试非常复杂、效率可能降低。（解释器一般用于解决比较复杂的问题，要慎用）

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