22-解释器模式

设计模式设计模式

发布时间 : 2024-11-28 22:00

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解释器模式是类的行为模式。给定一个语言之后，解释器模式可以定义出其文法的一种表示，并同时提供一个解释器。客户端可以使用这个解释器来解释这个语言中的句子。

一、解释器模式的结构

下面就以一个示意性的系统为例，讨论解释器模式的结构。系统的结构图如下所示：

解释器模式结构

模式所涉及的角色如下所示：

抽象表达式(Expression)角色：声明一个所有的具体表达式角色都需要实现的抽象接口。这个接口主要是一个interpret()方法，称做解释操作。
终结符表达式(Terminal Expression)角色：实现了抽象表达式角色所要求的接口，主要是一个interpret()方法；文法中的每一个终结符都有一个具体终结表达式与之相对应。比如有一个简单的公式R=R1+R2，在里面R1和R2就是终结符，对应的解析R1和R2的解释器就是终结符表达式。
非终结符表达式(Nonterminal Expression)角色：文法中的每一条规则都需要一个具体的非终结符表达式，非终结符表达式一般是文法中的运算符或者其他关键字，比如公式R=R1+R2中，“+”就是非终结符，解析“+”的解释器就是一个非终结符表达式。
环境(Context)角色：这个角色的任务一般是用来存放文法中各个终结符所对应的具体值，比如R=R1+R2，我们给R1赋值100，给R2赋值200。这些信息需要存放到环境角色中，很多情况下我们使用Map来充当环境角色就足够了。

为了说明解释器模式的实现办法，这里给出一个最简单的文法和对应的解释器模式的实现，这就是模拟Java语言中对布尔表达式进行操作和求值。

在这个语言中终结符是布尔变量，也就是常量true和false。非终结符表达式包含运算符and，or和not等布尔表达式。这个简单的文法如下：

Expression ::= Constant | Variable | Or | And | Not

And ::= Expression ‘AND’ Expression

Or ::= Expression ‘OR’ Expression

Not ::= ‘NOT’ Expression

Variable ::= 任何标识符

Constant ::= ‘true’ | ‘false’

解释器模式的结构图如下所示：

解释器模式结构UML

代码实现如下：

/**
 * 抽象表达式角色
 */
public abstract class Expression {
    /**
     * 以环境为准，本方法解释给定的任何一个表达式
     */
    public abstract boolean interpret(Context ctx);

    /**
     * 检验两个表达式在结构上是否相同
     */
    public abstract boolean equals(Object obj);

    /**
     * 返回表达式的hash code
     */
    public abstract int hashCode();

    /**
     * 将表达式转换成字符串
     */
    public abstract String toString();
}


/**
 * 一个Constant对象代表一个布尔常量
 */
public class Constant extends Expression {

    private boolean value;

    public Constant(boolean value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        return value;
    }

    /**
     * 检验两个表达式在结构上是否相同
     */
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (obj != null && obj instanceof Constant) {
            return this.value == ((Constant) obj).value;
        }
        return false;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return new Boolean(value).toString();
    }
}


/**
 * 一个Variable对象代表一个有名变量
 */
public class Variable extends Expression {
    private String name;

    public Variable(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        // 获取变量对应的值
        boolean value = ctx.lookup(this);
        return value;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (obj != null && obj instanceof Variable) {
            return this.name.equals(((Variable)obj).name);
        }
        return false;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return this.name;
    }
}


/**
 * 代表逻辑“与”操作的And类，表示由两个布尔表达式通过逻辑“与”操作给出一个新的布尔表达式的操作
 */
public class And extends Expression {
    private Expression left, right;

    public And(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        return left.interpret(ctx) && right.interpret(ctx);
    }

    /**
     * 检验两个表达式在结构上是否相同
     */
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (obj != null && obj instanceof And) {
            return left.equals(((And) obj).left) &&
                    right.equals(((And) obj).right);
        }
        return false;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " AND " + right.toString() + ")";
    }
}


/**
 * 代表逻辑“或”操作的Or类，代表由两个布尔表达式通过逻辑“或”操作给出一个新的布尔表达式的操作
 */
public class Or extends Expression {
    private Expression left, right;

    public Or(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        return left.interpret(ctx) || right.interpret(ctx);
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (obj != null && obj instanceof Or) {
            return this.left.equals(((Or) obj).left)
                    && this.right.equals(((Or) obj).right);
        }
        return false;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " OR " + right.toString() + ")";
    }
}


/**
 * 代表逻辑“非”操作的Not类，代表由一个布尔表达式通过逻辑“非”操作给出一个新的布尔表达式的操作
 */
public class Not extends Expression {
    private Expression exp;

    public Not(Expression exp) {
        this.exp = exp;
    }

    @Override
    public boolean interpret(Context ctx) {
        return !exp.interpret(ctx);
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (obj != null && obj instanceof Not) {
            return exp.equals(
                    ((Not) obj).exp);
        }
        return false;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return this.toString().hashCode();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "(Not " + exp.toString() + ")";
    }
}


/**
 * 环境(Context)类定义出从变量到布尔值的一个映射
 */
public class Context {
    private Map<Variable, Boolean> map = new HashMap<>();

    /**
     * 设置变量和值
     * @param variable
     * @param value
     */
    public void assign(Variable variable, boolean value) {
        map.put(variable, value);
    }

    /**
     * 根据变量获取变量的值
     * @param var
     * @return
     */
    public boolean lookup(Variable var) {
        Boolean value = map.get(var);
        if (value == null) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        return value.booleanValue();
    }
}


/**
 * 测试类
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 环境
        Context context = new Context();

        // 变量
        Variable x = new Variable("x");
        Variable y = new Variable("y");

        // 布尔常量
        Constant c = new Constant(true);

        // 将变量名和常量值设置到环境中
        context.assign(x, false);
        context.assign(y, true);

        Expression exp = new Or(new And(c,x) , new And(y,new Not(x)));
        System.out.println("x=" + x.interpret(context));
        System.out.println("y=" + y.interpret(context));
        System.out.println(exp.toString() + "=" + exp.interpret(context));
    }
}

运行结果：

x=false
y=true
((true AND x) OR (y AND (Not x)))=true

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