【设计模式深度剖析】【11】【行为型】【解释器模式】| 以算术表达式求值为例加深理解

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解释器模式

解释器模式（Interpreter Pattern）

解释器模式就像是一个翻译官，它可以将一种语言（比如我们编写的程序代码或配置文件）翻译成另一种语言（比如计算机可以理解的机器代码）。这种翻译官非常灵活，可以轻松地处理各种复杂的语法和表达式。但是，如果语法规则太多太复杂，翻译官可能会感到头疼，因为他需要记住很多规则，这会让他的工作变得困难。所以，当我们要使用解释器模式时，最好确保语言的文法规则相对简单，这样可以提高翻译官的工作效率。

当有一个语言需要解释执行，并且你可以将该语言中的句子表示为一个抽象语法树（AST）时，可使用解释器模式。

定义

英文原话

The Interpreter pattern specifies a representation for a grammar along with an interpreter that uses the representation to interpret sentences in the grammar.

直译

解释器模式定义了一个文法的表示以及一个解释器，该解释器使用该表示来解释文法中的句子。

解释器模式中的角色

1. 抽象表达式（AbstractExpression）

声明一个抽象的解释操作，这个接口为抽象语法树（AST）中所有节点所共享，为所有的终端表达式和非终端表达式声明一个解释操作。

2. 终端表达式（TerminalExpression）

实现了抽象表达式的解释操作，对应文法中的终结符，即不可再分的表达式。

3. 非终端表达式（NonterminalExpression）

实现了抽象表达式的解释操作，并包含一个或多个对抽象表达式的引用，用于组合文法规则。

4. 环境（Context）

包含解释器之外的一些全局信息，一般是用来传递参数给解释器的。

5. 客户端（Client）

构建抽象语法树（AST）的结构，并调用解释操作来执行相应的功能。

代码示例：算术表达式求值

类图

代码

以下是一个简单的 Java 示例，它展示了如何使用解释器模式来解析和计算算术表达式（只包括加法和乘法）：

package com.polaris.designpattern.list3.behavioral.pattern11.interpreter.demo1;// 抽象表达式
interface Expression {int interpret(Context context);
}// 环境（本例中环境较简单，没有使用）  
class Context {// 这里可以添加一些全局信息，如变量值等  
}// 终端表达式（数字）  
class NumberExpression implements Expression {private int value;public NumberExpression(int value) {this.value = value;}@Overridepublic int interpret(Context context) {return value;}
}// 非终端表达式（加法）  
class AddExpression implements Expression {private Expression left;private Expression right;public AddExpression(Expression left, Expression right) {this.left = left;this.right = right;}@Overridepublic int interpret(Context context) {return left.interpret(context) + right.interpret(context);}
}// 非终端表达式（乘法）  
class MultiplyExpression implements Expression {private Expression left;private Expression right;public MultiplyExpression(Expression left, Expression right) {this.left = left;this.right = right;}@Overridepublic int interpret(Context context) {return left.interpret(context) * right.interpret(context);}
}// 客户端  
public class Client {public static void main(String[] args) {// 构造表达式：(5+10)*2Expression five = new NumberExpression(5);Expression ten = new NumberExpression(10);Expression sum = new AddExpression(five, ten);Expression product = new MultiplyExpression(sum, new NumberExpression(2));// 本例中未使用Context context = new Context();int result = product.interpret(context);// 输出 30System.out.println("Result: " + result);}
}
/* Output:
Result: 30
*///~

在这个例子中，我们定义了一个 Expression 接口作为抽象表达式，NumberExpression 作为终端表达式，表示一个具体的数字值。我们还定义了两个非终端表达式 AddExpression 和 MultiplyExpression，分别表示加法和乘法操作。客户端负责构建抽象语法树（AST）并调用 interpret 方法来计算表达式的值。注意，在这个例子中我们没有使用 Context 类，因为它在这个简单的示例中并不必要。

解释器模式的应用

解释器模式主要应用于需要处理复杂语法和表达式的场合。以下是一些具体的应用示例：

1. 表达式求值器：在处理复杂的数学表达式或逻辑表达式时，解释器模式非常有用。开发人员可以定义各种表达式类型的解释器（如加法、减法、乘法、逻辑与、逻辑或等），然后使用这些解释器来解析和计算表达式。
2. 配置文件解析：当应用程序需要从配置文件中读取参数和设置时，解释器模式可以用来解析配置文件的内容。这可以确保配置文件的格式正确，并且使得应用程序能够轻松地读取和解析配置文件。
3. 编译器设计：解释器模式在编译器设计中非常常见。编译器需要将源代码（一种人类可读的编程语言）转换为机器代码（计算机可以执行的指令）。解释器模式允许开发人员为每种语言结构定义解释器，这些解释器可以逐一解析源代码，并生成相应的机器代码。

解释器模式的优点

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. 实现简单语言方便：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”。

解释器模式的缺点

1. 对于复杂文法难以维护：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。
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。

解释器模式的使用场景

1. 特定类型问题发生频率足够高：当某个特定类型的问题在系统中频繁出现时，使用解释器模式可以提高代码的可重用性和可维护性。
2. 语言文法较为简单：当需要解释的语言的文法较为简单时，使用解释器模式可以方便地实现一个解释器。
3. 执行效率不是关键问题：如果系统的性能瓶颈不在于表达式的解析速度，那么可以使用解释器模式来提高代码的可读性和可维护性。

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