解析Java的设计模式编程之解释器模式的运用

定义：给定一种语言，定义他的文法的一种表示，并定义一个解释器，该解释器使用该表示来解释语言中句子。
类型：行为类模式
类图：

解释器模式是一个比较少用的模式，本人之前也没有用过这个模式。下面我们就来一起看一下解释器模式。
 
解释器模式的结构
抽象解释器：声明一个所有具体表达式都要实现的抽象接口（或者抽象类），接口中主要是一个interpret()方法，称为解释操作。具体解释任务由它的各个实现类来完成，具体的解释器分别由终结符解释器TerminalExpression和非终结符解释器NonterminalExpression完成。
终结符表达式：实现与文法中的元素相关联的解释操作，通常一个解释器模式中只有一个终结符表达式，但有多个实例，对应不同的终结符。终结符一半是文法中的运算单元，比如有一个简单的公式R=R1+R2，在里面R1和R2就是终结符，对应的解析R1和R2的解释器就是终结符表达式。                               
非终结符表达式：文法中的每条规则对应于一个非终结符表达式，非终结符表达式一般是文法中的运算符或者其他关键字，比如公式R=R1+R2中，+就是非终结符，解析+的解释器就是一个非终结符表达式。非终结符表达式根据逻辑的复杂程度而增加，原则上每个文法规则都对应一个非终结符表达式。
环境角色：这个角色的任务一般是用来存放文法中各个终结符所对应的具体值，比如R=R1+R2，我们给R1赋值100，给R2赋值200。这些信息需要存放到环境角色中，很多情况下我们使用Map来充当环境角色就足够了。

例子
来举一个加减乘除的例子吧，实现思路来自于《java与模式》中的例子。每个角色的功能按照上面提到的规范来实现。

//上下文（环境）角色，使用HashMap来存储变量对应的数值 

class Context 

{ 

    private Map valueMap = new HashMap(); 

    public void addValue(Variable x , int y) 

    { 

       Integer yi = new Integer(y); 

       valueMap.put(x , yi); 

    } 

    public int LookupValue(Variable x) 

    { 

       int i = ((Integer)valueMap.get(x)).intValue(); 

       return i ; 

    } 

} 

//抽象表达式角色，也可以用接口来实现 

abstract class Expression 

{ 

    public abstract int interpret(Context con); 

} 

//终结符表达式角色 

class Constant extends Expression 

{ 

    private int i ; 

    public Constant(int i) 

    { 

       this.i = i; 

    } 

    public int interpret(Context con) 

    { 

       return i ; 

    } 

} 

class Variable extends Expression 

{ 

    public int interpret(Context con) 

    { 

       //this为调用interpret方法的Variable对象 

       return con.LookupValue(this); 

    } 

} 

//非终结符表达式角色 

class Add extends Expression 

{ 

    private Expression left ,right ; 

    public Add(Expression left , Expression right) 

    { 

       this.left = left ; 

       this.right= right ; 

    } 

    public int interpret(Context con) 

    { 

       return left.interpret(con) + right.interpret(con); 

    } 

} 

class Subtract extends Expression 

{ 

    private Expression left , right ; 

    public Subtract(Expression left , Expression right) 

    { 

       this.left = left ; 

       this.right= right ; 

    } 

    public int interpret(Context con) 

    { 

       return left.interpret(con) - right.interpret(con); 

    } 

} 

class Multiply extends Expression 

{ 

    private Expression left , right ; 

    public Multiply(Expression left , Expression right) 

    { 

       this.left = left ; 

       this.right= right ; 

    } 

    public int interpret(Context con) 

    { 

       return left.interpret(con) * right.interpret(con); 

    } 

} 

class Division extends Expression 

{ 

    private Expression left , right ; 

    public Division(Expression left , Expression right) 

    { 

       this.left = left ; 

       this.right= right ; 

    } 

    public int interpret(Context con) 

    { 

       try{ 

              return left.interpret(con) / right.interpret(con); 

       }catch(ArithmeticException ae) 

       { 

           System.out.println("被除数为0！"); 

           return -11111; 

       } 

    } 

} 

//测试程序，计算 (a*b)/(a-b+2) 

public class Test 

{ 

    private static Expression ex ; 

    private static Context con ; 

    public static void main(String[] args) 

    { 

       con = new Context(); 

       //设置变量、常量 

       Variable a = new Variable(); 

       Variable b = new Variable(); 

       Constant c = new Constant(2); 

//为变量赋值 

       con.addValue(a , 5); 

       con.addValue(b , 7); 

//运算，对句子的结构由我们自己来分析，构造 

       ex = new Division(new Multiply(a , b), new Add(new Subtract(a , b) , c)); 

       System.out.println("运算结果为："+ex.interpret(con)); 

    } 

}

解释器模式的优缺点
        解释器是一个简单的语法分析工具，它最显著的优点就是扩展性，修改语法规则只需要修改相应的非终结符就可以了，若扩展语法，只需要增加非终结符类就可以了。
        但是，解释器模式会引起类的膨胀，每个语法都需要产生一个非终结符表达式，语法规则比较复杂时，就可能产生大量的类文件，为维护带来非常多的麻烦。同时，由于采用递归调用方法，每个非终结符表达式只关心与自己相关的表达式，每个表达式需要知道最终的结果，必须通过递归方式，无论是面向对象的语言还是面向过程的语言，递归都是一个不推荐的方式。由于使用了大量的循环和递归，效率是一个不容忽视的问题。特别是用于解释一个解析复杂、冗长的语法时，效率是难以忍受的。
 
解释器模式的适用场景
        在以下情况下可以使用解释器模式：
有一个简单的语法规则，比如一个sql语句，如果我们需要根据sql语句进行rm转换，就可以使用解释器模式来对语句进行解释。
一些重复发生的问题，比如加减乘除四则运算，但是公式每次都不同，有时是a+b-c*d，有时是a*b+c-d，等等等等个，公式千变万化，但是都是由加减乘除四个非终结符来连接的，这时我们就可以使用解释器模式。

注意事项
       解释器模式真的是一个比较少用的模式，因为对它的维护实在是太麻烦了，想象一下，一坨一坨的非终结符解释器，假如不是事先对文法的规则了如指掌，或者是文法特别简单，则很难读懂它的逻辑。解释器模式在实际的系统开发中使用的很少，因为他会引起效率、性能以及维护等问题。