设计模式之解释器模式的魅力：让代码读懂你的语言

一、什么是解释器模式

二、解释器模式的应用场景

三、解释器模式的优缺点

3.1. 优点

3.2. 缺点

四、解释器模式示例

4.1. 问题描述

4.2. 问题分析

4.3. 代码实现

4.4. 优化方向

五、总结

一、什么是解释器模式

解释器模式（Interpreter pattern）是一种行为型(Behavioral Pattern)的设计模式，用于定义语言的语法规则表示，并提供解释器来处理句子中的语法。该模式将句子表示为一个抽象语法树，每个节点代表一个语法规则，通过递归地解释这些节点来实现对句子的解释。

解释器模式主要包含以下五类角色：

抽象表达式（Abstract Expression）：定义了解释器的接口，包括一个解释方法，并根据文法规则解释表达式。
终结符表达式（Terminal Expression）：实现抽象表达式接口，代表文法中的终结符。
非终结符表达式（Non-Terminal Expression）：实现抽象表达式接口，代表文法中的非终结符，通常包含其他表达式。
上下文（Context）：包含需要被解释的信息或状态，解释器通过上下文来执行解释操作。
客户端（Client）：创建和配置具体的解释器表达式，构建解释器的抽象语法树，并调用解释器的解释方法来解释表达式。

解释器模式的结构如下所示：

二、解释器模式的应用场景

解释器模式适用于需要解释和执行特定领域语言的场景，常见的适合应用解释器模式的场景包括但不限于：

编程语言解释器：解释器模式最经典的应用就是编程语言的解释器。例如，Python、JavaScript等编程语言都使用解释器来解释和执行代码。
数学表达式解析：解释器模式可以用于解析和计算数学表达式。例如，我们可以使用解释器模式来解析并计算一个复杂的数学公式。
查询语言解析：解释器模式可以用于解析和执行查询语言。例如，数据库查询语言的解析和执行就可以使用解释器模式来实现。

三、解释器模式的优缺点

3.1. 优点

1）可扩展性：增加新的解释表达式比较方便，扩展时不需要修改原有的逻辑，符合开闭原则。

2）灵活性：改变或扩展文法都比较容易。

3）实现文法容易：语法树中的每个表达式节点类都是相似的，易于实现。

3.2. 缺点

1）类膨胀：每个语法都要产生一个非终结符表达式，可能导致大量类文件。

2）性能问题：递归解释语法可能导致效率低下。

四、解释器模式示例

4.1. 问题描述

为了更好地理解解释器模式的应用，我们将以一个简单的例子来演示它的实现过程。假设我们需要设计一个简单的计算器，能够解析并计算用户输入的包含加减乘除四种计算的数学表达式，其中只存在数字和加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）四种符号，每种元素之间以空格区分，并且四种运算符号的运算顺序总是从左到右的（即不限定一定要先算乘除后算加减）。

4.2. 问题分析

我们以一个简单的表达式“2 + 3 * 4 - 5 / 3”为例，其语法树可以表示为：

其中包含一种终结符表达式(数字表达式)以及四种非终结符表达式（加减乘除四种表达式）。则我们可以：

    1）定义一个抽象表达式接口（AbstractExpression），并包含一个解释方法interpret()用于返回解释结果。

    2）定义一个数字表达式类（NumberExpression），它的内部维护了一个数字对象，并且其实现的interpret()方法直接返回这个数字对象。

    3）为加减乘除四种运算规则分别定义相应的表达式类（AddExpression，SubExpression，MulExpression，DivExpression），它们的内部都维护了AbstractExpression类型的运算的左值（left）和右值（right），并分别按照各自的规则实现interpret()方法返回运算结果。

    4）由于此计算器只需要从左往右顺序地计算下来就可以了，所以表达式中并不需要知道上下文环境，那么我们可以省略定义上下文类（Context），而直接定义客户端类（Client）用于对外提供运算接口（execute(String exp)），将接收到的表达式字符串参数转换成使用解释器对象描述的语法树，并解释并输出解释结果。

4.3. 代码实现

经过上一步的分析之后，下面我们通过代码来实现它：

interface AbstractExpression{public int interpret();
}

class NumberExpression implements AbstractExpression{private int number;
NumberExpression(int number) {this.number = number;}
@Overridepublic int interpret() {return number;}
}
//加法
class AddExpression implements AbstractExpression{private AbstractExpression left;private AbstractExpression right;
AddExpression(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right;}
@Overridepublic int interpret() {return left.interpret() + right.interpret();}
}
//减法
class SubExpression implements AbstractExpression{private AbstractExpression left;private AbstractExpression right;
SubExpression(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right;}
@Overridepublic int interpret() {return left.interpret() - right.interpret();}
}
//乘法
class MulExpression implements AbstractExpression{private AbstractExpression left;private AbstractExpression right;
MulExpression(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right;}
@Overridepublic int interpret() {return left.interpret() * right.interpret();}
}
//除法
class DivExpression implements AbstractExpression{private AbstractExpression left;private AbstractExpression right;
DivExpression(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {this.left = left;this.right = right;}
@Overridepublic int interpret() {return left.interpret() / right.interpret();}
}

class Cient{public int execute(String exp){String[] elements = exp.split(" ");if(elements.length % 2 == 0){throw new RuntimeException("表达式错误");}AbstractExpression expression = new NumberExpression(Integer.parseInt(elements[0]));for (int i = 1; i < elements.length-1; i+=2) {String symbol =  elements[i];int num;try{num = Integer.parseInt(elements[i+1]);}catch (NumberFormatException e){throw new RuntimeException("表达式错误");}if (symbol.equals("+")){expression = new AddExpression(expression, new NumberExpression(num));}else if (symbol.equals("-")){expression = new SubExpression(expression, new NumberExpression(num));}else if (symbol.equals("*")){expression = new MulExpression(expression, new NumberExpression(num));}else if (symbol.equals("/")){expression = new DivExpression(expression, new NumberExpression(num));}else {System.out.println("无效的符号");}}return expression.interpret();}
}

接下来编写测试类：

    public static void main(String[] args) {Cient cient = new Cient();System.out.println(cient.execute("2 + 3 * 4 - 5 / 3"));System.out.println(cient.execute("5 * 2 + 9 - 1 / 6"));System.out.println(cient.execute("5 / 5 + 1 / 1 * 10 - 1"));}

测试结果为：

测试通过！

4.4. 优化方向

作为一个开发人员，完成一段代码功能之后当然要不断反思自己的代码还有哪些不足，就以上示例而言，针对使用者有可能的千奇百怪的输入来说，首先这段代码的异常捕获和提示内容就是不足的，当然，仅仅用来作为说明解释器模式的实例来讲，我们的目的已经达到了，所以这里不再多做补充~~（不是因为懒~）~~。另外，如果我们学习过其他设计模式，我们可以将解释器模式和其他设计模式结合使用，而达到进一步优化的目的，比如我们可以用组合模式来构建语法树，用工厂模式来创建不同类型的表达式，而如何通过代码来实现它们，就要涉及其他设计模式的说明了，本文暂不做赘述~~（那肯定也不是因为懒~）~~。