设计模式之美：Interpreter（解释器）

索引

意图

给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。

Given a language, define a represention for its grammar along with an interpreter that uses the representation to interpret sentences in the language.

结构

参与者

AbstractExpression 

  • 声明一个抽象的解释操作，这个接口为抽象语法树中所有的节点所共享。

TerminalExpression

  • 实现与文法中的终结符相关联的解释操作。
  • 一个句子中的每一个终结符需要该类的一个实例。

NonterminalExpression

  • 对文法中的规则的解释操作。

Context

  • 包含解释器之外的一些全局信息。

Client

  • 构建表示该语法定义的语言中一个特定的句子的抽象语法树。
  • 调用解释操作

适用性

当有个语言需要解释执行，并且你可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时，可以使用 Interpreter 模式。

当存在以下情况时效果最好：

  • 该文法简单对于复杂的文法，文法的类层次变得庞大而无法管理。
  • 效率不是一个关键问题，最高效的解释器通常不是通过直接解释语法分析树实现的，而是首先将它们转换成另一种形式。

效果

  • 易于改变和扩展文法。
  • 易于实现文法。
  • 复杂的文法难以维护。
  • 增加了新的解释表达式的方式。

相关模式

  • 抽象语法树是一个 Composite 模式的实例。
  • 可以使用 Flyweight 模式在抽象语法树中共享终结符。
  • 可以使用 Iterator 模式遍历解释器结构。
  • 可以使用 Visitor 模式在一个类中维护抽象语法树中的各个节点的行为。

实现

实现方式（一）：Interpreter 模式结构样式代码。

TerminalExpression：实现解释 Terminal Symbols 的语法。

NonTerminalExpression：聚合一到多个 Expression，Expression 可以是 TerminalExpression，也可以是 NonTerminalExpression。。

 1 namespace InterpreterPattern.Implementation1
 2 {
 3   public class Context
 4   {
 5     public Context(string name)
 6     {
 7       Name = name;
 8     }
 9 
10     public string Name { get; private set; }
11   }
12 
13   public abstract class ExpressionBase
14   {
15     public abstract void Interpret(Context context);
16   }
17 
18   public class TerminalExpression : ExpressionBase
19   {
20     public override void Interpret(Context context)
21     {
22       Console.WriteLine("Terminal Symbol {0}.", context.Name);
23     }
24   }
25 
26   public class NonTerminalExpression : ExpressionBase
27   {
28     public ExpressionBase Expression1 { get; set; }
29     public ExpressionBase Expression2 { get; set; }
30 
31     public override void Interpret(Context context)
32     {
33       Console.WriteLine("Non Terminal Symbol {0}.", context.Name);
34       Expression1.Interpret(context);
35       Expression2.Interpret(context);
36     }
37   }
38 
39   public class Client
40   {
41     public void TestCase1()
42     {
43       var context = new Context("Hello World");
44       var root = new NonTerminalExpression
45       {
46         Expression1 = new TerminalExpression(),
47         Expression2 = new TerminalExpression()
48       };
49       root.Interpret(context);
50     }
51   }
52 }

实现方式（二）：解释波兰表达式（Polish Notation）。

中缀表达式

中缀表达式中，二元运算符总是置于与之相关的两个运算对象之间，根据运算符间的优先关系来确定运算的次序，同时考虑括号规则。
比如： 2 + 3 * (5 - 1)

前缀表达式

波兰逻辑学家 J.Lukasiewicz 于 1929 年提出了一种不需要括号的表示法，将运算符写在运算对象之前，也就是前缀表达式，即波兰式（Polish Notation, PN）。
比如：2 + 3 * (5 - 1) 这个表达式的前缀表达式为 + 2 * 3 - 5 1。

后缀表达式

后缀表达式也称为逆波兰式（Reverse Polish Notation, RPN），和前缀表达式相反，是将运算符号放置于运算对象之后。
比如：2 + 3 * (5 - 1) 用逆波兰式来表示则是：2 3 5 1 - * +。

  1 namespace InterpreterPattern.Implementation2
  2 {
  3   public interface IExpression
  4   {
  5     int Evaluate();
  6   }
  7 
  8   public class IntegerTerminalExpression : IExpression
  9   {
 10     int _value;
 11 
 12     public IntegerTerminalExpression(int value)
 13     {
 14       _value = value;
 15     }
 16 
 17     public int Evaluate()
 18     {
 19       return _value;
 20     }
 21 
 22     public override string ToString()
 23     {
 24       return _value.ToString();
 25     }
 26   }
 27 
 28   public class AdditionNonterminalExpression : IExpression
 29   {
 30     private IExpression _expr1;
 31     private IExpression _expr2;
 32 
 33     public AdditionNonterminalExpression(
 34       IExpression expr1,
 35       IExpression expr2)
 36     {
 37       _expr1 = expr1;
 38       _expr2 = expr2;
 39     }
 40 
 41     public int Evaluate()
 42     {
 43       int value1 = _expr1.Evaluate();
 44       int value2 = _expr2.Evaluate();
 45       return value1 + value2;
 46     }
 47 
 48     public override string ToString()
 49     {
 50       return string.Format("({0} + {1})", _expr1, _expr2);
 51     }
 52   }
 53 
 54   public class SubtractionNonterminalExpression : IExpression
 55   {
 56     private IExpression _expr1;
 57     private IExpression _expr2;
 58 
 59     public SubtractionNonterminalExpression(
 60       IExpression expr1,
 61       IExpression expr2)
 62     {
 63       _expr1 = expr1;
 64       _expr2 = expr2;
 65     }
 66 
 67     public int Evaluate()
 68     {
 69       int value1 = _expr1.Evaluate();
 70       int value2 = _expr2.Evaluate();
 71       return value1 - value2;
 72     }
 73 
 74     public override string ToString()
 75     {
 76       return string.Format("({0} - {1})", _expr1, _expr2);
 77     }
 78   }
 79 
 80   public interface IParser
 81   {
 82     IExpression Parse(string polish);
 83   }
 84 
 85   public class Parser : IParser
 86   {
 87     public IExpression Parse(string polish)
 88     {
 89       var symbols = new List<string>(polish.Split(' '));
 90       return ParseNextExpression(symbols);
 91     }
 92 
 93     private IExpression ParseNextExpression(List<string> symbols)
 94     {
 95       int value;
 96       if (int.TryParse(symbols[0], out value))
 97       {
 98         symbols.RemoveAt(0);
 99         return new IntegerTerminalExpression(value);
100       }
101       return ParseNonTerminalExpression(symbols);
102     }
103 
104     private IExpression ParseNonTerminalExpression(List<string> symbols)
105     {
106       var symbol = symbols[0];
107       symbols.RemoveAt(0);
108 
109       var expr1 = ParseNextExpression(symbols);
110       var expr2 = ParseNextExpression(symbols);
111 
112       switch (symbol)
113       {
114         case "+":
115           return new AdditionNonterminalExpression(expr1, expr2);
116         case "-":
117           return new SubtractionNonterminalExpression(expr1, expr2);
118         default:
119           {
120             string message = string.Format("Invalid Symbol ({0})", symbol);
121             throw new InvalidOperationException(message);
122           }
123       }
124     }
125   }
126 
127   public class Client
128   {
129     public void TestCase2()
130     {
131       IParser parser = new Parser();
132 
133       var commands =
134         new string[]
135         {
136           "+ 1 2",
137           "- 3 4",
138           "+ - 5 6 7",
139           "+ 8 - 9 1",
140           "+ - + - - 2 3 4 + - -5 6 + -7 8 9 0"
141         };
142 
143       foreach (var command in commands)
144       {
145         IExpression expression = parser.Parse(command);
146         Console.WriteLine("{0} = {1}", expression, expression.Evaluate());
147       }
148 
149       // Results:
150       // (1 + 2) = 3
151       // (3 - 4) = -1
152       // ((5 - 6) + 7) = 6
153       // (8 + (9 - 1)) = 16
154       // (((((2 - 3) - 4) + ((-5 - 6) + (-7 + 8))) - 9) + 0) = -24
155     }
156   }
157 }

《设计模式之美》为 Dennis Gao 发布于博客园的系列文章，任何未经作者本人同意的人为或爬虫转载均为耍流氓。

posted @ 2014-03-28 22:00  sangmado  阅读(4884)  评论(0)  编辑  收藏  举报