设计模式-解释器模式

设计模式专栏

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模式介绍

解释器模式是一种行为型设计模式，它定义了一门语言的文法表示，并建立了一个解释器来解释该语言中的句子。这里的“语言”是指适用规定格式和语法的代码。解释器模式主要包含四个角色：抽象表达式、终结符表达式、文法类和环境类。

抽象表达式是所有终结符表达式和非终结符表达式的公共父类，声明了抽象的解释操作。非终结符表达式用于描述文法中的非终结符号，而终结符表达式则实现了与文法中的终结符相关联的解释操作。

在解释器模式中，通常只有少数几个终结符表达式类，它们的实例可以通过非终结符表达式组成较为复杂的句子。环境类又称为上下文类，用于存储解释器之外的一些全局信息，例如需要解释的语句。

解释器模式的应用场景包括一些重复出现的问题可以用一种简单的语言进行表达，或者一个简单语法需要解释的场景。解释器模式可以用来处理一些特定的问题，如解析数学公式、构建解析器等。

解释器模式是一种通过定义语言的文法表示并建立解释器来解释该语言中的句子的设计模式，它提供了一种灵活的方式来解析和处理特定的问题。

模式特点

• 解释器模式的优点主要包括以下几点：

1. 易于改变和扩展文法：由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则，因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。
2. 易于实现简单文法：每一条文法规则都可以表示为一个类，因此可以方便地实现一个简单的语言。
3. 增加新的解释表达式较为方便：如果用户需要增加新的解释表达式，只需要对应增加一个新的终结符表达式或非终结符表达式类，原有表达式类代码无须修改，符合“开闭原则”。

• 解释器模式也存在一些缺点：

1. 对于复杂文法难以维护：在解释器模式中，每一条规则至少需要定义一个类，因此如果一个语言包含太多文法规则，类的个数将会急剧增加，导致系统难以管理和维护。此时可以考虑使用语法分析程序等方式来取代解释器模式。
2. 执行效率较低：由于在解释器模式中使用了大量的循环和递归调用，因此在解释较为复杂的句子时其速度很慢，而且代码的调试过程也比较麻烦。
3. 可利用场景比较少：解释器模式的应用场景相对有限，通常只适用于一些特定的问题，如解析数学公式、构建解析器等。
4. 解释器模式会引起类膨胀：由于每一条文法规则都需要定义一个类，如果文法规则非常多，可能会导致类的个数急剧增加，使得系统变得复杂和难以维护。

解释器模式具有易于改变和扩展文法、易于实现简单文法以及增加新的解释表达式较为方便等优点，但也存在对于复杂文法难以维护、执行效率较低、可利用场景比较少以及解释器模式会引起类膨胀等缺点。在实际应用中，需要根据具体需求和场景来选择是否使用解释器模式。

应用场景

解释器模式的应用场景主要包括：

1. 日志处理 ：当处理大量的日志时，不同服务的日志格式可能不同，但数据中的要素是相同的。通过使用解释器模式，可以对这些日志进行解析，生成报表。
2. 脚本语言或编程语言处理 ：当需要使用脚本语言或编程语言处理特定问题时，解释器模式可以提供一种灵活的方式来解析和处理这些语言。
3. 特定类型问题的解析 ：当某个特定类型的问题发生频率足够高时，可以使用解释器模式来解析和处理这些问题。

解释器模式主要应用于解析和处理具有特定语法和规则的问题，尤其适用于文法规则较为简单且不易改变的情况。在实践中，解释器模式通常与编译器设计等领域相关联，因此对于编译器设计等相关领域有一定了解的人会比较熟悉这种设计模式。

解释器模式和模板模式有什么区别和联系

解释器模式和模板模式是两种不同的设计模式，它们在使用场景、目的和实现方式上都有所不同。

解释器模式主要用于描述如何使用面向对象语言构成一个简单的语言解释器。它定义了语言的文法表示，并构建了一个解释器来解释这些句子。解释器模式通常用于处理具有特定语法和规则的问题，如日志处理、脚本语言或编程语言处理等。

模板模式则是定义一个操作中的算法框架，将一些步骤延迟到子类中，使得子类可以改变一个算法的结构，重新定义算法的某些特定步骤。模板模式通常用于处理多个子类有公有的方法，并且逻辑基本相同时的问题，或者将核心算法设计为模板方法，周边的相关细节功能则由各个子类实现。

虽然解释器模式和模板模式都是行为型设计模式，但它们的关注点并不相同。解释器模式关注的是如何解析和处理具有特定语法和规则的问题，而模板模式则关注的是如何定义一个操作中的算法框架，使得子类可以改变算法的结构和特定步骤。

在实际应用中，可以根据具体的需求和场景来选择使用解释器模式还是模板模式。如果需要处理具有特定语法和规则的问题，如日志处理或脚本语言处理等，那么解释器模式可能更加合适。如果需要定义一个算法框架，并且希望子类能够改变算法的结构或特定步骤，那么模板模式可能更加合适。

代码示例

Java实现解释器模式

以下是一个简单的Java实现解释器模式的示例，用于解析和计算简单的数学表达式：

import java.util.*;

abstract class Expression {
    abstract double interpret();
}

class TerminalExpression extends Expression {
    private double value;

    public TerminalExpression(double value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    double interpret() {
        return value;
    }
}

class NonterminalExpression extends Expression {
    private List<Expression> expressions = new ArrayList<>();

    public void addExpression(Expression expression) {
        expressions.add(expression);
    }

    @Override
    double interpret() {
        double result = 0;
        for (Expression expression : expressions) {
            result += expression.interpret();
        }
        return result;
    }
}

class Calculator {
    public double calculate(String expression) {
        Stack<Expression> stack = new Stack<>();
        String[] tokens = expression.split(" ");
        for (String token : tokens) {
            if (isNumeric(token)) {
                stack.push(new TerminalExpression(Double.parseDouble(token)));
            } else if (isOperator(token)) {
                NonterminalExpression nonterminalExpression = new NonterminalExpression();
                while (!stack.isEmpty() && isOperator(stack.peek().interpret())) {
                    nonterminalExpression.addExpression(stack.pop());
                }
                stack.pop(); // Pop the last operator from the stack
                nonterminalExpression.addExpression(stack.pop()); // Pop the operand from the stack
                stack.push(nonterminalExpression);
            } else if (isOperatorPosition(token)) {
                while (!stack.isEmpty() && isOperatorPosition(stack.peek().interpret())) {
                    stack.push(new TerminalExpression((new TerminalExpression(10))
                            .interpret() - new TerminalExpression(7).interpret())); // Subtract 7 from 10 as a placeholder operation
                }
            } else if (isLeftParen(token)) {
                while (!stack.isEmpty() && !isLeftParen(stack.peek().interpret())) {
                    stack.push(new TerminalExpression((new TerminalExpression(10))
                            .interpret() - new TerminalExpression(7).interpret())); // Subtract 7 from 10 as a placeholder operation
                }
            } else if (isRightParen(token)) {
                while (!stack.isEmpty() && !isRightParen(stack.peek().interpret())) {
                    stack.push(new TerminalExpression((new TerminalExpression(10))
                            .interpret() - new TerminalExpression(7).interpret())); // Subtract 7 from 10 as a placeholder operation
                }
            } else { // Token is an identifier or function name, do nothing for now.
            }
        }
        return stack.pop().interpret(); // The result should be at the top of the stack after parsing the expression.
    }
}

Python实现解释器模式

以下是一个简单的Python实现解释器模式的示例，用于解析和计算简单的数学表达式：

class TerminalExpression:
    def __init__(self, value):
        self.value = value

    def interpret(self):
        return self.value


class NonterminalExpression:
    def __init__(self):
        self.expressions = []

    def add_expression(self, expression):
        self.expressions.append(expression)

    def interpret(self):
        result = 0
        for expression in self.expressions:
            result += expression.interpret()
        return result


class Calculator:
    def calculate(self, expression):
        stack = []
        tokens = expression.split()
        for token in tokens:
            if self.is_numeric(token):
                stack.append(TerminalExpression(float(token)))
            elif self.is_operator(token):
                nonterminal_expression = NonterminalExpression()
                while stack and self.is_operator(stack[-1].interpret()):
                    nonterminal_expression.add_expression(stack.pop())
                stack.pop()  # Pop the last operator from the stack
                nonterminal_expression.add_expression(stack.pop())  # Pop the operand from the stack
                stack.append(nonterminal_expression)
            elif self.is_operator_position(token):
                while stack and self.is_operator_position(stack[-1].interpret()):
                    stack.append(TerminalExpression(10 - 7))  # Subtract 7 from 10 as a placeholder operation
            elif self.is_left_paren(token):
                while stack and not self.is_left_paren(stack[-1].interpret()):
                    stack.append(TerminalExpression(10 - 7))  # Subtract 7 from 10 as a placeholder operation
            elif self.is_right_paren(token):
                while stack and not self.is_right_paren(stack[-1].interpret()):
                    stack.append(TerminalExpression(10 - 7))  # Subtract 7 from 10 as a placeholder operation
            else:  # Token is an identifier or function name, do nothing for now.
                pass
        return stack[0].interpret()  # The result should be at the top of the stack after parsing the expression.

解释器模式在spring中的应用

在Spring框架中，解释器模式主要应用在表达式语言（Expression Language，EL）的实现上。Spring EL 是一个强大的表达式语言，用于在 Spring 应用程序中方便地访问和操作数据。

解释器模式在Spring EL中的主要作用是定义了如何解析和计算表达式的规则。在Spring EL中，解释器模式被用来解析和计算存储在字符串格式的表达式中的值。通过解释器模式，Spring能够灵活地处理各种复杂的表达式，并且可以动态地改变表达式的结果。

具体来说，当一个表达式被评估时，解释器模式会按照特定的语法规则解析该表达式，并执行相应的操作。这个过程包括词法分析和语法分析两个阶段。在词法分析阶段，表达式被分解成一个个的记号（token），并存储在解析树中。在语法分析阶段，解析树被遍历并计算表达式的值。

通过使用解释器模式，Spring能够提供一个简单、一致的方式来访问和操作数据，使得开发人员可以更加方便地编写和调试代码。同时，解释器模式也使得Spring EL具有更好的可扩展性和可维护性，因为新的表达式可以通过添加新的解析规则来实现，而不会影响已有的代码。

解释器模式在Spring中的应用主要表现在Spring EL的实现上，用于解析和计算表达式的值。通过解释器模式，Spring能够提供一个灵活、简单的方式来访问和操作数据，提高开发效率和代码质量。