设计模式的征途—23.解释器(Interpreter)模式

虽然目前计算机编程语言有好几百种,但有时人们还是希望用一些简单的语言来实现特定的操作,只需要向计算机输入一个句子或文件,就能按照预定的文法规则来对句子或文件进行解释。例如,我们想要只输入一个加法/减法表达式,它就能够计算出表达式结果。例如输入“1+2+3-4+1”时,将输出计算结果为3。像C++,Java或C#都无法直接解释类似这样的字符串,因此用户必须自定义一套文法规则来实现对这些语句的解释,即设计一个自定义语言。如果所基于的编程语言是面向对象语言,此时可以使用解释器模式实现自定义语言。

解释器模式(Interpreter) 学习难度:★★★★★ 使用频率:★☆☆☆☆

一、格式化指令的需求背景

Background:M公司开发了一套简单的基于字符界面的格式化指令,可以根据输入的指令在字符界面输出一些格式化内容,例如输入“LOOP 2 PRINT 杨过 SPACE SPACE PRINT 小龙女 BREAK END PRINT 郭靖 SPACE SPACE PRINT 黄蓉”,将输出以下结果:

其中,关键词LOOP表示循环,后面的数字表示循环次数;PRINT表示打印,后面的字符串表示打印的内容;SPACE表示空格;BREAK表示换行;END表示循环结束。每一个关键词对应一条指令,计算机程序将根据关键词执行相应的处理操作。

  M公司的开发人员分析之后,根据格式化指令中句子的组成,定义了如下文法规则:

expression ::= command*          // 表达式,一个表达式包含多条指令

command ::= loop | primitive           // 语句指令

loop ::= 'loop number' expression 'end'      // 循环指令,其中number为自然数

primitive ::= 'print string' | 'space' | 'byeak'    // 基本指令,其中string为字符串  

二、解释器模式概述

2.1 解释器模式简介

  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。

解释器(Interpreter)模式:定义一个语言的文法,并且建立一个解释器来解释该语言中的句子,这里的“语言”是指使用规定格式和语法的代码。解释器模式是一种行为型模式。

2.2 解释器模式结构

  解释器模式主要包含以下4个角色:

  (1)AbstractExpression(抽象表达式):声明了抽象的解释操作;

  (2)TerminalExpression(终结符表达式):抽象表达式的子类,实现了与文法中的终结符相关联的解释操作,在句中的每一个终结符都是该类的一个实例;

  (3)NonterminalExpression(非终结符表达式):抽象表达式的子类,实现了文法中非终结符的解释操作,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完成。

  (4)Context(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,通常它临时存储了需要解释的语句。

三、格式化指令的具体实现

3.1 设计结构

  M公司根据文法规则,通过进一步分析,结合解释器模式绘制了如下图所示的结构图:

  其中,Context充当环境类角色,Node充当抽象表达式角色,ExpressionNode、CommandNode和LoopCommandNode充当非终结符表达式角色,PrimitiveCommandNode充当终结符表达式角色。

3.2 代码实现

  (1)环境类:Context

    /// <summary>
    /// 环境类:用于存储和操作需要解释的语句,
    /// 在本实例中每一个需要解释的单词都可以称为一个动作标记(ActionToker)或命令
    /// </summary>
    public class Context
    {
        private int index = -1;
        private string[] tokens;
        private string currentToken;

        public Context(string text)
        {
            text = text.Replace("  ", " ");
            tokens = text.Split(' ');
            NextToken();
        }

        // 获取下一个标记
        public string NextToken()
        {
            if (index < tokens.Length - 1)
            {
                currentToken = tokens[++index];
            }
            else
            {
                currentToken = null;
            }

            return currentToken;
        }

        // 返回当前的标记
        public string GetCurrentToken()
        {
            return currentToken;
        }

        // 跳过一个标记
        public void SkipToken(string token)
        {
            if (!token.Equals(currentToken, StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                Console.WriteLine("错误提示:{0} 解释错误!", currentToken);
            }

            NextToken();
        }

        // 如果当前的标记是一个数字,则返回对应的数值
        public int GetCurrentNumber()
        {
            int number = 0;
            try
            {
                // 将字符串转换为整数
                number = Convert.ToInt32(currentToken);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine("错误提示:{0}", ex.Message);
            }

            return number;
        }
    }

  (2)抽象表达式:Node

    /// <summary>
    /// 抽象表达式:抽象节点类
    /// </summary>
    public abstract class Node
    {
        // 声明一个方法用于解释语句
        public abstract void Interpret(Context context);
        // 声明一个方法用于执行标记对应的命令
        public abstract void Execute();
    }

  (3)非终结符表达式:ExpressionNode、CommandNode和LoopCommandNode

    /// <summary>
    ///  非终结符表达式:表达式节点类
    /// </summary>
    public class ExpressionNode : Node
    {
        // 用于存储多条命令的集合
        private IList<Node> nodeList = new List<Node>();

        public override void Interpret(Context context)
        {
            // 循环处理Context中的标记
            while (true)
            {
                // 如果已经没有任何标记,则退出解释
                if (context.GetCurrentToken() == null)
                {
                    break;
                }
                // 如果标记为END,则不解释END并结束本次解释过程,可以继续之后的解释
                else if (context.GetCurrentToken().Equals("END", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
                {
                    context.SkipToken("END");
                    break;
                }
                // 如果为其它标记,则解释标记并加入命令集合
                else
                {
                    Node node = new CommandNode();
                    node.Interpret(context);
                    nodeList.Add(node);
                }
            }
        }

        // 循环执行命令集合中的每一条指令
        public override void Execute()
        {
            foreach (var node in nodeList)
            {
                node.Execute();
            }
        }
    }

    /// <summary>
    /// 非终结符表达式:语句命令节点类
    /// </summary>
    public class CommandNode : Node
    {
        private Node node;

        public override void Interpret(Context context)
        {
            // 处理LOOP指令
            if (context.GetCurrentToken().Equals("LOOP", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                node = new LoopCommand();
                node.Interpret(context);
            }
            // 处理其他指令
            else
            {
                node = new PrimitiveCommand();
                node.Interpret(context);
            }
        }

        public override void Execute()
        {
            node.Execute();
        }
    }

    /// <summary>
    /// 非终结符表达式:循环命令类
    /// </summary>
    public class LoopCommand : Node
    {
        // 循环次数
        private int number;
        // 循环语句中的表达式
        private Node commandNode;

        public override void Interpret(Context context)
        {
            context.SkipToken("LOOP");
            number = context.GetCurrentNumber();
            context.NextToken();
            // 循环语句中的表达式
            commandNode = new ExpressionNode();
            commandNode.Interpret(context);
        }

        public override void Execute()
        {
            for (int i = 0; i < number; i++)
            {
                commandNode.Execute();
            }
        }
    }

  (4)终结符表达式:PrimitiveCommandNode

    /// <summary>
    /// 终结符表达式:基本命令类
    /// </summary>
    public class PrimitiveCommand : Node
    {
        private string name;
        private string text;

        public override void Interpret(Context context)
        {
            name = context.GetCurrentToken();
            context.SkipToken(name);

            if (!name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase) 
                && !name.Equals("BREAK", StringComparison.OrdinalIgnoreCase)
                && !name.Equals("SPACE", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                Console.WriteLine("非法命令!");
            }

            if (name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                text = context.GetCurrentToken();
                context.NextToken();
            }
        }

        public override void Execute()
        {
            if (name.Equals("PRINT", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                Console.Write(text);
            }
            else if (name.Equals("SPACE", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                Console.Write(" ");
            }
            else if (name.Equals("BREAK", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                Console.Write("\r\n");
            }
        }
    }

  (5)客户端测试:

    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            string instruction = "LOOP 2 PRINT 杨过 SPACE SPACE PRINT 小龙女 BREAK END PRINT 郭靖 SPACE SPACE PRINT 黄蓉";
            Context context = new Context(instruction);

            Node node = new ExpressionNode();
            node.Interpret(context);

            Console.WriteLine("源指令 : {0}", instruction);
            Console.WriteLine("解释后 : ");

            node.Execute();

            Console.ReadKey();
        }
    }

  编译调试后运行结果如下图所示:

  

四、解释器模式小结

4.1 主要优点

  (1)易于改变和扩展文法 => 通过继承来改变或扩展

  (2)增加新的解释表达式较为方便 => 只需对应新增一个新的终结符或非终结符表达式,原有代码无须修改,符合开闭原则!

4.2 主要缺点

  (1)对于复杂文法难以维护 => 一条规则一个类,如果太多文法规则,类的个数会剧增!

  (2)执行效率较低 => 使用了大量循环和递归,在解释复杂句子时速度很慢!

4.3 应用场景

  (1)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

  (2)一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来进行表达

  (3)一个语言的文法较为简单

  (4)执行效率不是关键问题 => 高效的解释器通常不是通过直接解释抽象语法树来实现的

参考资料

  DesignPattern

  (1)刘伟,《设计模式的艺术—软件开发人员内功修炼之道》

 

posted @ 2017-09-12 23:07 Edison Chou 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏