初识设计模式 - 解释器模式

解释器模式是一种使用频率相对较低但学习难度较大的设计模式,它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。

简介

在某些情况下,为了更好地描述某一些特定类型的问题,我们可以创建一种新的语言,这种语言拥有自己的表达式和结构,即文法规则。

解释器设计模式(Interpreter Design Pattern)描述了如何为简单的语言定义一个文法,如何在该语言中表示一个句子,以及如何解释这些句子。

因此,解释器模式的定义是,为某个语言定义它的语法(文法)表示,并定义一个解释器用来处理这个语法。

典型实现

首先,需要定义一个抽象表达式类,其声明了抽象的解释操作,其代码示例如下:

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

终结符表达式是抽象表达式的子类,它实现了与文法中的终结符相关联的解释操作,在句子中的每一个终结符都是该类的一个实例。其代码示例如下:

public class TerminalExpression extends AbstractExpression {
    public void interpret(Context context) {
        // 终结符表达式的解释操作
    }
}

非终结符表达式类相对比较复杂,由于在非终结符表达式中可以包含终结符表达式,也可以继续包含非终结符表达式,因此其解释操作一般通过递归的方式来完成。其代码示例如下:

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 context) {
        // 递归调用每一个组成部分的 interpret() 方法
        // 在递归调用时指定组成部分的连接方式,即非终结符的功能
    }
}

通常在解释器模式中会提供一个环境类用于存储一些全局信息,如使用 HashMap 或者 ArrayList 等类型的集合对象,存储一系列公共信息,其代码示例如下:

public class Context {
    private HashMap<String, String> map = new HashMap<>();

    public void assign(String key, String value) {
        // 往环境中设值
        map.put(key, value);
    }

    public String lookup(String key) {
        // 获取存储在环境类中的值
        return map.get(key);
    }
}

总结

优点

解释器模式的主要优点如下:

  • 易于改变和扩展文法
  • 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
  • 实现文法较为容易
  • 增加新的解释器表达式较为方便

缺点

解释器模式的主要缺点如下:

  • 对于复杂文法难以维护,增加文法规则会导致类急剧增加,导致系统难以管理和维护
  • 解释器模式使用了大量循环和递归调用,执行效率较低

适用场景

解释器模式的适用场景如下:

  • 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进行表达
  • 一个语言的文法较为简单

源码

在 JDK 中,java.text.Format 就是一个抽象表达式类的实现,如下是其部分源码:

public abstract class Format implements Serializable, Cloneable {
    AttributedCharacterIterator createAttributedCharacterIterator(String s) {
        AttributedString as = new AttributedString(s);

        return as.getIterator();
    }

    AttributedCharacterIterator createAttributedCharacterIterator(
                       AttributedCharacterIterator[] iterators) {
        AttributedString as = new AttributedString(iterators);

        return as.getIterator();
    }
}