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编程问答

自定义语言的实现——解释器模式

發(fā)布時(shí)間:2024/2/28 编程问答 59 豆豆
生活随笔 收集整理的這篇文章主要介紹了 自定义语言的实现——解释器模式 小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

本文轉(zhuǎn)載自 :http://blog.csdn.net/lovelion/article/details/7713567


有朋友一直在等待我的解釋器模式文稿,,現(xiàn)把某個(gè)版本發(fā)在博客上,歡迎大家討論!

?????? 雖然目前計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言有好幾百種,但有時(shí)候我們還是希望能用一些簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)一些特定的操作,我們只要向計(jì)算機(jī)輸入一個(gè)句子或文件,它就能夠按照預(yù)先定義的文法規(guī)則來對(duì)句子或文件進(jìn)行解釋,從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。例如提供一個(gè)簡(jiǎn)單的加法/減法解釋器,只要輸入一個(gè)加法/減法表達(dá)式,它就能夠計(jì)算出表達(dá)式結(jié)果,如圖18-1所示,當(dāng)輸入字符串表達(dá)式為“1 + 2 + 3 – 4 +?1”時(shí),將輸出計(jì)算結(jié)果為3

18-1??加法/減法解釋器示意圖

?????? 我們知道,像C++JavaC#等語(yǔ)言無法直接解釋類似“1+ 2 + 3 – 4 +?1”這樣的字符串(如果直接作為數(shù)值表達(dá)式時(shí)可以解釋),我們必須自己定義一套文法規(guī)則來實(shí)現(xiàn)對(duì)這些語(yǔ)句的解釋,即設(shè)計(jì)一個(gè)自定義語(yǔ)言。在實(shí)際開發(fā)中,這些簡(jiǎn)單的自定義語(yǔ)言可以基于現(xiàn)有的編程語(yǔ)言來設(shè)計(jì),如果所基于的編程語(yǔ)言是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言,此時(shí)可以使用解釋器模式來實(shí)現(xiàn)自定義語(yǔ)言。

18.1 機(jī)器人控制程序

?????? Sunny軟件公司欲為某玩具公司開發(fā)一套機(jī)器人控制程序,在該機(jī)器人控制程序中包含一些簡(jiǎn)單的英文控制指令,每一個(gè)指令對(duì)應(yīng)一個(gè)表達(dá)式(expression),該表達(dá)式可以是簡(jiǎn)單表達(dá)式也可以是復(fù)合表達(dá)式,每一個(gè)簡(jiǎn)單表達(dá)式由移動(dòng)方向(direction),移動(dòng)方式(action)和移動(dòng)距離(distance)三部分組成,其中移動(dòng)方向包括上(up)、下(down)、左(left)、右(right);移動(dòng)方式包括移動(dòng)(move)和快速移動(dòng)(run);移動(dòng)距離為一個(gè)正整數(shù)。兩個(gè)表達(dá)式之間可以通過與(and)連接,形成復(fù)合(composite)表達(dá)式。

?????? 用戶通過對(duì)圖形化的設(shè)置界面進(jìn)行操作可以創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人控制指令,機(jī)器人在收到指令后將按照指令的設(shè)置進(jìn)行移動(dòng),例如輸入控制指令:up move 5,則“向上移動(dòng)5個(gè)單位”;輸入控制指令:down? run 10 and left move 20,則“向下快速移動(dòng)10個(gè)單位再向左移動(dòng)20個(gè)單位”。

?????? Sunny軟件公司開發(fā)人員決定自定義一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來解釋機(jī)器人控制指令,根據(jù)上述需求描述,用形式化語(yǔ)言來表示該簡(jiǎn)單語(yǔ)言的文法規(guī)則如下:

expression ::= direction action distance | composite //表達(dá)式

composite ::= expression 'and' expression //復(fù)合表達(dá)式

direction ::= 'up' | 'down' | 'left' | 'right' //移動(dòng)方向

action ::= 'move' | 'run' //移動(dòng)方式

distance ::= an integer //移動(dòng)距離

?????? 上述語(yǔ)言一共定義了五條文法規(guī)則,對(duì)應(yīng)五個(gè)語(yǔ)言單位,這些語(yǔ)言單位可以分為兩類,一類為終結(jié)符(也稱為終結(jié)符表達(dá)式),例如directionactiondistance,它們是語(yǔ)言的最小組成單位,不能再進(jìn)行拆分;另一類為非終結(jié)符(也稱為非終結(jié)符表達(dá)式),例如expressioncomposite,它們都是一個(gè)完整的句子,包含一系列終結(jié)符或非終結(jié)符。

?????? 我們根據(jù)上述規(guī)則定義出的語(yǔ)言可以構(gòu)成很多語(yǔ)句,計(jì)算機(jī)程序?qū)⒏鶕?jù)這些語(yǔ)句進(jìn)行某種操作。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)句的解釋,可以使用解釋器模式,在解釋器模式中每一個(gè)文法規(guī)則都將對(duì)應(yīng)一個(gè)類,擴(kuò)展、改變文法以及增加新的文法規(guī)則都很方便,下面就讓我們正式進(jìn)入解釋器模式的學(xué)習(xí),看看使用解釋器模式如何來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人控制指令的處理。

18.2 文法規(guī)則和抽象語(yǔ)法樹

?????? 解釋器模式描述了如何為簡(jiǎn)單的語(yǔ)言定義一個(gè)文法,如何在該語(yǔ)言中表示一個(gè)句子,以及如何解釋這些句子。在正式分析解釋器模式結(jié)構(gòu)之前,我們先來學(xué)習(xí)如何表示一個(gè)語(yǔ)言的文法規(guī)則以及如何構(gòu)造一棵抽象語(yǔ)法樹。

?????? 在前面所提到的加法/減法解釋器中,每一個(gè)輸入表達(dá)式,例如“1 + 2 + 3 – 4 + 1”,都包含了三個(gè)語(yǔ)言單位,可以使用如下文法規(guī)則來定義:

expression ::= value | operation

operation ::= expression '+' expression | expression '-'? expression

value ::= an integer //一個(gè)整數(shù)值

?????? 該文法規(guī)則包含三條語(yǔ)句,第一條表示表達(dá)式的組成方式,其中valueoperation是后面兩個(gè)語(yǔ)言單位的定義,每一條語(yǔ)句所定義的字符串如operationvalue稱為語(yǔ)言構(gòu)造成分或語(yǔ)言單位,符號(hào)“::=”表示“定義為”的意思,其左邊的語(yǔ)言單位通過右邊來進(jìn)行說明和定義,語(yǔ)言單位對(duì)應(yīng)終結(jié)符表達(dá)式和非終結(jié)符表達(dá)式。如本規(guī)則中的operation是非終結(jié)符表達(dá)式,它的組成元素仍然可以是表達(dá)式,可以進(jìn)一步分解,而value是終結(jié)符表達(dá)式,它的組成元素是最基本的語(yǔ)言單位,不能再進(jìn)行分解。

???????在文法規(guī)則定義中可以使用一些符號(hào)來表示不同的含義,如使用“|”表示或,使用“{”和“}”表示組合,使用“*”表示出現(xiàn)0次或多次等,其中使用頻率最高的符號(hào)是表示“或”關(guān)系的“|”,如文法規(guī)則“boolValue ::= 0 |?1”表示終結(jié)符表達(dá)式boolValue的取值可以為0或者1

?????? 除了使用文法規(guī)則來定義一個(gè)語(yǔ)言,在解釋器模式中還可以通過一種稱之為抽象語(yǔ)法樹(Abstract Syntax Tree, AST)的圖形方式來直觀地表示語(yǔ)言的構(gòu)成,每一棵抽象語(yǔ)法樹對(duì)應(yīng)一個(gè)語(yǔ)言實(shí)例,如加法/減法表達(dá)式語(yǔ)言中的語(yǔ)句“1+ 2 + 3 – 4 +?1”,可以通過如圖18-2所示抽象語(yǔ)法樹來表示:

18-2??抽象語(yǔ)法樹示意圖

?????? 在該抽象語(yǔ)法樹中,可以通過終結(jié)符表達(dá)式value和非終結(jié)符表達(dá)式operation組成復(fù)雜的語(yǔ)句,每個(gè)文法規(guī)則的語(yǔ)言實(shí)例都可以表示為一個(gè)抽象語(yǔ)法樹,即每一條具體的語(yǔ)句都可以用類似圖18-2所示的抽象語(yǔ)法樹來表示,在圖中終結(jié)符表達(dá)式類的實(shí)例作為樹的葉子節(jié)點(diǎn),而非終結(jié)符表達(dá)式類的實(shí)例作為非葉子節(jié)點(diǎn),它們可以將終結(jié)符表達(dá)式類的實(shí)例以及包含終結(jié)符和非終結(jié)符實(shí)例的子表達(dá)式作為其子節(jié)點(diǎn)。抽象語(yǔ)法樹描述了如何構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的句子,通過對(duì)抽象語(yǔ)法樹的分析,可以識(shí)別出語(yǔ)言中的終結(jié)符類和非終結(jié)符類。

18.3 解釋器模式概述

?????? 解釋器模式是一種使用頻率相對(duì)較低但學(xué)習(xí)難度較大的設(shè)計(jì)模式,它用于描述如何使用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)言解釋器。在某些情況下,為了更好地描述某一些特定類型的問題,我們可以創(chuàng)建一種新的語(yǔ)言,這種語(yǔ)言擁有自己的表達(dá)式和結(jié)構(gòu),即文法規(guī)則,這些問題的實(shí)例將對(duì)應(yīng)為該語(yǔ)言中的句子。此時(shí),可以使用解釋器模式來設(shè)計(jì)這種新的語(yǔ)言。對(duì)解釋器模式的學(xué)習(xí)能夠加深我們對(duì)面向?qū)ο笏枷氲睦斫?#xff0c;并且掌握編程語(yǔ)言中文法規(guī)則的解釋過程。

?????? 解釋器模式定義如下:

解釋器模式(Interpreter Pattern):定義一個(gè)語(yǔ)言的文法,并且建立一個(gè)解釋器來解釋該語(yǔ)言中的句子,這里的“語(yǔ)言”是指使用規(guī)定格式和語(yǔ)法的代碼。解釋器模式是一種類行為型模式。

?????? 由于表達(dá)式可分為終結(jié)符表達(dá)式和非終結(jié)符表達(dá)式,因此解釋器模式的結(jié)構(gòu)與組合模式的結(jié)構(gòu)有些類似,但在解釋器模式中包含更多的組成元素,它的結(jié)構(gòu)如圖18-3所示:

18-3??解釋器模式結(jié)構(gòu)圖

?????? 在解釋器模式結(jié)構(gòu)圖中包含如下幾個(gè)角色:

?????? ●?AbstractExpression(抽象表達(dá)式):在抽象表達(dá)式中聲明了抽象的解釋操作,它是所有終結(jié)符表達(dá)式和非終結(jié)符表達(dá)式的公共父類。

?????? ●?TerminalExpression(終結(jié)符表達(dá)式):終結(jié)符表達(dá)式是抽象表達(dá)式的子類,它實(shí)現(xiàn)了與文法中的終結(jié)符相關(guān)聯(lián)的解釋操作,在句子中的每一個(gè)終結(jié)符都是該類的一個(gè)實(shí)例。通常在一個(gè)解釋器模式中只有少數(shù)幾個(gè)終結(jié)符表達(dá)式類,它們的實(shí)例可以通過非終結(jié)符表達(dá)式組成較為復(fù)雜的句子。

?????? ●?NonterminalExpression(非終結(jié)符表達(dá)式):非終結(jié)符表達(dá)式也是抽象表達(dá)式的子類,它實(shí)現(xiàn)了文法中非終結(jié)符的解釋操作,由于在非終結(jié)符表達(dá)式中可以包含終結(jié)符表達(dá)式,也可以繼續(xù)包含非終結(jié)符表達(dá)式,因此其解釋操作一般通過遞歸的方式來完成。

?????? ●?Context(環(huán)境類):環(huán)境類又稱為上下文類,它用于存儲(chǔ)解釋器之外的一些全局信息,通常它臨時(shí)存儲(chǔ)了需要解釋的語(yǔ)句。

?????? 在解釋器模式中,每一種終結(jié)符和非終結(jié)符都有一個(gè)具體類與之對(duì)應(yīng),正因?yàn)槭褂妙悂肀硎久恳粭l文法規(guī)則,所以系統(tǒng)將具有較好的靈活性和可擴(kuò)展性。對(duì)于所有的終結(jié)符和非終結(jié)符,我們首先需要抽象出一個(gè)公共父類,即抽象表達(dá)式類,其典型代碼如下所示:

abstract class AbstractExpression {

?????? public? abstract void interpret(Context ctx);

}

?????? 終結(jié)符表達(dá)式和非終結(jié)符表達(dá)式類都是抽象表達(dá)式類的子類,對(duì)于終結(jié)符表達(dá)式,其代碼很簡(jiǎn)單,主要是對(duì)終結(jié)符元素的處理,其典型代碼如下所示:

class TerminalExpression extends? AbstractExpression {

?????? public? void interpret(Context ctx) {

????????????? //終結(jié)符表達(dá)式的解釋操作

?????? }

}

?????? 對(duì)于非終結(jié)符表達(dá)式,其代碼相對(duì)比較復(fù)雜,因?yàn)榭梢酝ㄟ^非終結(jié)符將表達(dá)式組合成更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu),對(duì)于包含兩個(gè)操作元素的非終結(jié)符表達(dá)式類,其典型代碼如下:

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 ctx) {

????????????? //遞歸調(diào)用每一個(gè)組成部分的interpret()方法

????????????? //在遞歸調(diào)用時(shí)指定組成部分的連接方式,即非終結(jié)符的功能

?????? }?????

}

?????? 除了上述用于表示表達(dá)式的類以外,通常在解釋器模式中還提供了一個(gè)環(huán)境類Context,用于存儲(chǔ)一些全局信息,通常在Context中包含了一個(gè)HashMapArrayList等類型的集合對(duì)象(也可以直接由HashMap等集合類充當(dāng)環(huán)境類),存儲(chǔ)一系列公共信息,如變量名與值的映射關(guān)系(key/value)等,用于在進(jìn)行具體的解釋操作時(shí)從中獲取相關(guān)信息。其典型代碼片段如下:

class Context {

???? private HashMap map = new HashMap();

???? public void assign(String key, String value) {

???????? //往環(huán)境類中設(shè)值

???? }

public String? lookup(String key) {

???????? //獲取存儲(chǔ)在環(huán)境類中的值

???? }

}

?????? 當(dāng)系統(tǒng)無須提供全局公共信息時(shí)可以省略環(huán)境類,可根據(jù)實(shí)際情況決定是否需要環(huán)境類。

思考

繪制加法/減法解釋器的類圖并編寫核心實(shí)現(xiàn)代碼。


18.4 完整解決方案

????? 為了能夠解釋機(jī)器人控制指令,Sunny軟件公司開發(fā)人員使用解釋器模式來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制程序。針對(duì)五條文法規(guī)則,分別提供五個(gè)類來實(shí)現(xiàn),其中終結(jié)符表達(dá)式directionactiondistance對(duì)應(yīng)DirectionNode類、ActionNode類和DistanceNode類,非終結(jié)符表達(dá)式expressioncomposite對(duì)應(yīng)SentenceNode類和AndNode類。

????? 我們可以通過抽象語(yǔ)法樹來表示具體解釋過程,例如機(jī)器人控制指令“down run 10 and left move?20”對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹如圖18-4所示:

18-4? ?機(jī)器人控制程序抽象語(yǔ)法樹實(shí)例

????? 機(jī)器人控制程序?qū)嵗窘Y(jié)構(gòu)如圖18-5所示:

18-5???機(jī)器人控制程序結(jié)構(gòu)圖

????? 在圖18-5中,AbstractNode充當(dāng)抽象表達(dá)式角色,DirectionNodeActionNodeDistanceNode充當(dāng)終結(jié)符表達(dá)式角色,AndNodeSentenceNode充當(dāng)非終結(jié)符表達(dá)式角色。完整代碼如下所示:

[java]?view plaincopy
  • //注:本實(shí)例對(duì)機(jī)器人控制指令的輸出結(jié)果進(jìn)行模擬,將英文指令翻譯為中文指令,實(shí)際情況是調(diào)用不同的控制程序進(jìn)行機(jī)器人的控制,包括對(duì)移動(dòng)方向、方式和距離的控制等??
  • import?java.util.*;??
  • ??
  • //抽象表達(dá)式??
  • abstract?class?AbstractNode?{??
  • ????public?abstract?String?interpret();??
  • }??
  • ??
  • //And解釋:非終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?AndNode?extends?AbstractNode?{??
  • ????private?AbstractNode?left;?//And的左表達(dá)式??
  • ????private?AbstractNode?right;?//And的右表達(dá)式??
  • ??
  • ????public?AndNode(AbstractNode?left,?AbstractNode?right)?{??
  • ????????this.left?=?left;??
  • ????????this.right?=?right;??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//And表達(dá)式解釋操作??
  • ????public?String?interpret()?{??
  • ????????return?left.interpret()?+?"再"?+?right.interpret();??
  • ????}??
  • }??
  • ??
  • //簡(jiǎn)單句子解釋:非終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?SentenceNode?extends?AbstractNode?{??
  • ????private?AbstractNode?direction;??
  • ????private?AbstractNode?action;??
  • ????private?AbstractNode?distance;??
  • ??
  • ????public?SentenceNode(AbstractNode?direction,AbstractNode?action,AbstractNode?distance)?{??
  • ????????this.direction?=?direction;??
  • ????????this.action?=?action;??
  • ????????this.distance?=?distance;??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//簡(jiǎn)單句子的解釋操作??
  • ????public?String?interpret()?{??
  • ????????return?direction.interpret()?+?action.interpret()?+?distance.interpret();??
  • ????}?????
  • }??
  • ??
  • //方向解釋:終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?DirectionNode?extends?AbstractNode?{??
  • ????private?String?direction;??
  • ??????
  • ????public?DirectionNode(String?direction)?{??
  • ????????this.direction?=?direction;??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//方向表達(dá)式的解釋操作??
  • ????public?String?interpret()?{??
  • ????????if?(direction.equalsIgnoreCase("up"))?{??
  • ????????????return?"向上";??
  • ????????}??
  • ????????else?if?(direction.equalsIgnoreCase("down"))?{??
  • ????????????return?"向下";??
  • ????????}??
  • ????????else?if?(direction.equalsIgnoreCase("left"))?{??
  • ????????????return?"向左";??
  • ????????}??
  • ????????else?if?(direction.equalsIgnoreCase("right"))?{??
  • ????????????return?"向右";??
  • ????????}??
  • ????????else?{??
  • ????????????return?"無效指令";??
  • ????????}??
  • ????}??
  • }??
  • ??
  • //動(dòng)作解釋:終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?ActionNode?extends?AbstractNode?{??
  • ????private?String?action;??
  • ??????
  • ????public?ActionNode(String?action)?{??
  • ????????this.action?=?action;??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//動(dòng)作(移動(dòng)方式)表達(dá)式的解釋操作??
  • ????public?String?interpret()?{??
  • ????????if?(action.equalsIgnoreCase("move"))?{??
  • ????????????return?"移動(dòng)";??
  • ????????}??
  • ????????else?if?(action.equalsIgnoreCase("run"))?{??
  • ????????????return?"快速移動(dòng)";??
  • ????????}??
  • ????????else?{??
  • ????????????return?"無效指令";??
  • ????????}??
  • ????}??
  • }??
  • ??
  • //距離解釋:終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?DistanceNode?extends?AbstractNode?{??
  • ????private?String?distance;??
  • ??????
  • ????public?DistanceNode(String?distance)?{??
  • ????????this.distance?=?distance;??
  • ????}??
  • ??????
  • //距離表達(dá)式的解釋操作??
  • ????public?String?interpret()?{??
  • ????????return?this.distance;??
  • ????}?????
  • }??
  • ??
  • //指令處理類:工具類??
  • class?InstructionHandler?{??
  • ????private?String?instruction;??
  • ????private?AbstractNode?node;??
  • ??????
  • ????public?void?handle(String?instruction)?{??
  • ????????AbstractNode?left?=?null,?right?=?null;??
  • ????????AbstractNode?direction?=?null,?action?=?null,?distance?=?null;??
  • ????????Stack?stack?=?new?Stack();?//聲明一個(gè)棧對(duì)象用于存儲(chǔ)抽象語(yǔ)法樹??
  • ????????String[]?words?=?instruction.split("?");?//以空格分隔指令字符串??
  • ????????for?(int?i?=?0;?i?<?words.length;?i++)?{??
  • //本實(shí)例采用棧的方式來處理指令,如果遇到“and”,則將其后的三個(gè)單詞作為三個(gè)終結(jié)符表達(dá)式連成一個(gè)簡(jiǎn)單句子SentenceNode作為“and”的右表達(dá)式,而將從棧頂彈出的表達(dá)式作為“and”的左表達(dá)式,最后將新的“and”表達(dá)式壓入棧中。???????????????????if?(words[i].equalsIgnoreCase("and"))?{??
  • ????????????????left?=?(AbstractNode)stack.pop();?//彈出棧頂表達(dá)式作為左表達(dá)式??
  • ????????????????String?word1=?words[++i];??
  • ????????????????direction?=?new?DirectionNode(word1);??
  • ????????????????String?word2?=?words[++i];??
  • ????????????????action?=?new?ActionNode(word2);??
  • ????????????????String?word3?=?words[++i];??
  • ????????????????distance?=?new?DistanceNode(word3);??
  • ????????????????right?=?new?SentenceNode(direction,action,distance);?//右表達(dá)式??
  • ????????????????stack.push(new?AndNode(left,right));?//將新表達(dá)式壓入棧中??
  • ????????????}??
  • ????????????//如果是從頭開始進(jìn)行解釋,則將前三個(gè)單詞組成一個(gè)簡(jiǎn)單句子SentenceNode并將該句子壓入棧中??
  • ????????????else?{??
  • ????????????????String?word1?=?words[i];??
  • ????????????????direction?=?new?DirectionNode(word1);??
  • ????????????????String?word2?=?words[++i];??
  • ????????????????action?=?new?ActionNode(word2);??
  • ????????????????String?word3?=?words[++i];??
  • ????????????????distance?=?new?DistanceNode(word3);??
  • ????????????????left?=?new?SentenceNode(direction,action,distance);??
  • ????????????????stack.push(left);?//將新表達(dá)式壓入棧中??
  • ????????????}??
  • ????????}??
  • ????????this.node?=?(AbstractNode)stack.pop();?//將全部表達(dá)式從棧中彈出??
  • ????}??
  • ??????
  • ????public?String?output()?{??
  • ????????String?result?=?node.interpret();?//解釋表達(dá)式??
  • ????????return?result;??
  • ????}??
  • }??
  • ?????? 工具類InstructionHandler用于對(duì)輸入指令進(jìn)行處理,將輸入指令分割為字符串?dāng)?shù)組,將第1個(gè)、第2個(gè)和第3個(gè)單詞組合成一個(gè)句子,并存入棧中;如果發(fā)現(xiàn)有單詞“and”,則將“and”后的第1個(gè)、第2個(gè)和第3個(gè)單詞組合成一個(gè)新的句子作為“and”的右表達(dá)式,并從棧中取出原先所存句子作為左表達(dá)式,然后組合成一個(gè)And節(jié)點(diǎn)存入棧中。依此類推,直到整個(gè)指令解析結(jié)束。

    ?????? 編寫如下客戶端測(cè)試代碼:

    [java]?view plaincopy
  • class?Client?{??
  • ????public?static?void?main(String?args[])?{??
  • ????????String?instruction?=?"up?move?5?and?down?run?10?and?left?move?5";??
  • ????????InstructionHandler?handler?=?new?InstructionHandler();??
  • ????????handler.handle(instruction);??
  • ????????String?outString;??
  • ????????outString?=?handler.output();??
  • ????????System.out.println(outString);??
  • ????}??
  • }??
  • ?????? 編譯并運(yùn)行程序,輸出結(jié)果如下:

    向上移動(dòng)5再向下快速移動(dòng)10再向左移動(dòng)5

    18.5 再談Context的作用

    ?????? 在解釋器模式中,環(huán)境類Context用于存儲(chǔ)解釋器之外的一些全局信息,它通常作為參數(shù)被傳遞到所有表達(dá)式的解釋方法interpret()中,可以在Context對(duì)象中存儲(chǔ)和訪問表達(dá)式解釋器的狀態(tài),向表達(dá)式解釋器提供一些全局的、公共的數(shù)據(jù),此外還可以在Context中增加一些所有表達(dá)式解釋器都共有的功能,減輕解釋器的職責(zé)。

    ?????? 在上面的機(jī)器人控制程序?qū)嵗?#xff0c;我們省略了環(huán)境類角色,下面再通過一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例來說明環(huán)境類的用途:

    ?????? Sunny軟件公司開發(fā)了一套簡(jiǎn)單的基于字符界面的格式化指令,可以根據(jù)輸入的指令在字符界面中輸出一些格式化內(nèi)容,例如輸入“LOOP 2 PRINT楊過?SPACE SPACE PRINT?小龍女?BREAK END PRINT郭靖?SPACE SPACE PRINT?黃蓉”,將輸出如下結(jié)果:

    楊過?????小龍女

    楊過?????小龍女

    郭靖?????黃蓉

    ?????? 其中關(guān)鍵詞LOOP表示“循環(huán)”,后面的數(shù)字表示循環(huán)次數(shù);PRINT表示“打印”,后面的字符串表示打印的內(nèi)容;SPACE表示“空格”;BREAK表示“換行”;END表示“循環(huán)結(jié)束”。每一個(gè)關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)一條命令,計(jì)算機(jī)程序?qū)⒏鶕?jù)關(guān)鍵詞執(zhí)行相應(yīng)的處理操作。

    ?????? 現(xiàn)使用解釋器模式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該格式化指令的解釋,對(duì)指令進(jìn)行分析并調(diào)用相應(yīng)的操作執(zhí)行指令中每一條命令。

    ?????? Sunny軟件公司開發(fā)人員通過分析,根據(jù)該格式化指令中句子的組成,定義了如下文法規(guī)則:

    expression ::= command* //表達(dá)式,一個(gè)表達(dá)式包含多條命令

    command ::= loop | primitive //語(yǔ)句命令

    loop ::= 'loopnumber'?expression? 'end' //循環(huán)命令,其中number為自然數(shù)

    primitive ::= 'printstring'? | 'space' | 'break' //基本命令,其中string為字符串

    ?????? 根據(jù)以上文法規(guī)則,通過進(jìn)一步分析,繪制如圖18-6所示結(jié)構(gòu)圖:

    18-6????格式化指令結(jié)構(gòu)圖

    ?????? 在圖18-6中,Context充當(dāng)環(huán)境角色,Node充當(dāng)抽象表達(dá)式角色,ExpressionNodeCommandNodeLoopCommandNode充當(dāng)非終結(jié)符表達(dá)式角色,PrimitiveCommandNode充當(dāng)終結(jié)符表達(dá)式角色。完整代碼如下所示:

    [java]?view plaincopy
  • import?java.util.*;??
  • ??
  • //環(huán)境類:用于存儲(chǔ)和操作需要解釋的語(yǔ)句,在本實(shí)例中每一個(gè)需要解釋的單詞可以稱為一個(gè)動(dòng)作標(biāo)記(Action?Token)或命令??
  • class?Context?{??
  • ????private?StringTokenizer?tokenizer;?//StringTokenizer類,用于將字符串分解為更小的字符串標(biāo)記(Token),默認(rèn)情況下以空格作為分隔符??
  • ????private?String?currentToken;?//當(dāng)前字符串標(biāo)記??
  • ??????
  • ????public?Context(String?text)?{??
  • ????????tokenizer?=?new?StringTokenizer(text);?//通過傳入的指令字符串創(chuàng)建StringTokenizer對(duì)象??
  • ????????nextToken();??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//返回下一個(gè)標(biāo)記??
  • ????public?String?nextToken()?{??
  • ????????if?(tokenizer.hasMoreTokens())?{??
  • ????????????currentToken?=?tokenizer.nextToken();??
  • ????????}??
  • ????????else?{??
  • ????????????currentToken?=?null;??
  • ????????}??
  • ????????return?currentToken;??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//返回當(dāng)前的標(biāo)記??
  • ????public?String?currentToken()?{??
  • ????????return?currentToken;??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//跳過一個(gè)標(biāo)記??
  • ????public?void?skipToken(String?token)?{??
  • ????????if?(!token.equals(currentToken))?{??
  • ????????????System.err.println("錯(cuò)誤提示:"?+?currentToken?+?"解釋錯(cuò)誤!");??
  • ????????????}??
  • ????????nextToken();??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//如果當(dāng)前的標(biāo)記是一個(gè)數(shù)字,則返回對(duì)應(yīng)的數(shù)值??
  • ????public?int?currentNumber()?{??
  • ????????int?number?=?0;??
  • ????????try{??
  • ????????????number?=?Integer.parseInt(currentToken);?//將字符串轉(zhuǎn)換為整數(shù)??
  • ????????}??
  • ????????catch(NumberFormatException?e)?{??
  • ????????????System.err.println("錯(cuò)誤提示:"?+?e);??
  • ????????}??
  • ????????return?number;??
  • ????}??
  • }??
  • ??
  • //抽象節(jié)點(diǎn)類:抽象表達(dá)式??
  • abstract?class?Node?{??
  • ????public?abstract?void?interpret(Context?text);?//聲明一個(gè)方法用于解釋語(yǔ)句??
  • ????public?abstract?void?execute();?//聲明一個(gè)方法用于執(zhí)行標(biāo)記對(duì)應(yīng)的命令??
  • }??
  • ??
  • //表達(dá)式節(jié)點(diǎn)類:非終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?ExpressionNode?extends?Node?{??
  • ????private?ArrayList<Node>?list?=?new?ArrayList<Node>();?//定義一個(gè)集合用于存儲(chǔ)多條命令??
  • ??????
  • ????public?void?interpret(Context?context)?{??
  • ????????//循環(huán)處理Context中的標(biāo)記??
  • ????????while?(true){??
  • ????????????//如果已經(jīng)沒有任何標(biāo)記,則退出解釋??
  • ????????????if?(context.currentToken()?==?null)?{??
  • ????????????????break;??
  • ????????????}??
  • ????????????//如果標(biāo)記為END,則不解釋END并結(jié)束本次解釋過程,可以繼續(xù)之后的解釋??
  • ????????????else?if?(context.currentToken().equals("END"))?{??
  • ????????????????context.skipToken("END");??
  • ????????????????break;??
  • ????????????}??
  • ????????????//如果為其他標(biāo)記,則解釋標(biāo)記并將其加入命令集合??
  • ????????????else?{??
  • ????????????????Node?commandNode?=?new?CommandNode();??
  • ????????????????commandNode.interpret(context);??
  • ????????????????list.add(commandNode);??
  • ????????????}??
  • ????????}??
  • ????}??
  • ??????
  • ????//循環(huán)執(zhí)行命令集合中的每一條命令??
  • ????public?void?execute()?{??
  • ????????Iterator?iterator?=?list.iterator();??
  • ????????while?(iterator.hasNext()){??
  • ????????????((Node)iterator.next()).execute();??
  • ????????}??
  • ????}??
  • }??
  • ??
  • //語(yǔ)句命令節(jié)點(diǎn)類:非終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?CommandNode?extends?Node?{??
  • ????private?Node?node;??
  • ??????
  • ????public?void?interpret(Context?context)?{??
  • ????????//處理LOOP循環(huán)命令??
  • ????????if?(context.currentToken().equals("LOOP"))?{??
  • ????????????node?=?new?LoopCommandNode();??
  • ????????????node.interpret(context);??
  • ????????}??
  • ????????//處理其他基本命令??
  • ????????else?{??
  • ????????????node?=?new?PrimitiveCommandNode();??
  • ????????????node.interpret(context);??
  • ????????}??
  • ????}??
  • ??????
  • ????public?void?execute()?{??
  • ????????node.execute();??
  • ????}??
  • }??
  • ??
  • //循環(huán)命令節(jié)點(diǎn)類:非終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?LoopCommandNode?extends?Node?{??
  • ????private?int?number;?//循環(huán)次數(shù)??
  • ????private?Node?commandNode;?//循環(huán)語(yǔ)句中的表達(dá)式??
  • ??????
  • ????//解釋循環(huán)命令??
  • ????public?void?interpret(Context?context)?{??
  • ????????context.skipToken("LOOP");??
  • ????????number?=?context.currentNumber();??
  • ????????context.nextToken();??
  • ????????commandNode?=?new?ExpressionNode();?//循環(huán)語(yǔ)句中的表達(dá)式??
  • ????????commandNode.interpret(context);??
  • ????}??
  • ??????
  • ????public?void?execute()?{??
  • ????????for?(int?i=0;i<number;i++)??
  • ????????????commandNode.execute();??
  • ????}??
  • }??
  • ??
  • //基本命令節(jié)點(diǎn)類:終結(jié)符表達(dá)式??
  • class?PrimitiveCommandNode?extends?Node?{??
  • ????private?String?name;??
  • ????private?String?text;??
  • ??????
  • ????//解釋基本命令??
  • ????public?void?interpret(Context?context)?{??
  • ????????name?=?context.currentToken();??
  • ????????context.skipToken(name);??
  • ????????if?(!name.equals("PRINT")?&&?!name.equals("BREAK")?&&?!name.equals?("SPACE")){??
  • ????????????System.err.println("非法命令!");??
  • ????????}??
  • ????????if?(name.equals("PRINT")){??
  • ????????????text?=?context.currentToken();??
  • ????????????context.nextToken();??
  • ????????}??
  • ????}??
  • ??????
  • ????public?void?execute(){??
  • ????????if?(name.equals("PRINT"))??
  • ????????????System.out.print(text);??
  • ????????else?if?(name.equals("SPACE"))??
  • ????????????System.out.print("?");??
  • ????????else?if?(name.equals("BREAK"))??
  • ????????????System.out.println();??
  • ????}??
  • }??
  • ?????? 在本實(shí)例代碼中,環(huán)境類Context類似一個(gè)工具類,它提供了用于處理指令的方法,如nextToken()currentToken()skipToken()等,同時(shí)它存儲(chǔ)了需要解釋的指令并記錄了每一次解釋的當(dāng)前標(biāo)記(Token),而具體的解釋過程交給表達(dá)式解釋器類來處理。我們還可以將各種解釋器類包含的公共方法移至環(huán)境類中,更好地實(shí)現(xiàn)這些方法的重用和擴(kuò)展。

    ?????? 針對(duì)本實(shí)例代碼,我們編寫如下客戶端測(cè)試代碼:

    [java]?view plaincopy
  • class?Client{??
  • ????public?static?void?main(String[]?args){??
  • ????????String?text?=?"LOOP?2?PRINT?楊過?SPACE?SPACE?PRINT?小龍女?BREAK?END?PRINT?郭靖?SPACE?SPACE?PRINT?黃蓉";??
  • ????????Context?context?=?new?Context(text);??
  • ??????????????
  • ????????Node?node?=?new?ExpressionNode();??
  • ????????node.interpret(context);??
  • ????????node.execute();??
  • ????}??
  • }??
  • ?????? 編譯并運(yùn)行程序,輸出結(jié)果如下:

    楊過?????小龍女

    楊過?????小龍女

    郭靖?????黃蓉

    ?

    ?

    思考

    預(yù)測(cè)指令“LOOP??? 2 LOOP 2 PRINT楊過?SPACE SPACE??? PRINT?小龍女?BREAK END PRINT???郭靖?SPACE SPACE PRINT?黃蓉??? BREAK END”的輸出結(jié)果。


    18.6 解釋器模式總結(jié)

    ????? 解釋器模式為自定義語(yǔ)言的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了一種解決方案,它用于定義一組文法規(guī)則并通過這組文法規(guī)則來解釋語(yǔ)言中的句子。雖然解釋器模式的使用頻率不是特別高,但是它在正則表達(dá)式、XML文檔解釋等領(lǐng)域還是得到了廣泛使用。與解釋器模式類似,目前還誕生了很多基于抽象語(yǔ)法樹的源代碼處理工具,例如Eclipse中的Eclipse AST,它可以用于表示Java語(yǔ)言的語(yǔ)法結(jié)構(gòu),用戶可以通過擴(kuò)展其功能,創(chuàng)建自己的文法規(guī)則。

    ????? 1.?主要優(yōu)點(diǎn)

    ????? 解釋器模式的主要優(yōu)點(diǎn)如下:

    ????? (1)?易于改變和擴(kuò)展文法。由于在解釋器模式中使用類來表示語(yǔ)言的文法規(guī)則,因此可以通過繼承等機(jī)制來改變或擴(kuò)展文法。

    ????? (2)?每一條文法規(guī)則都可以表示為一個(gè)類,因此可以方便地實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)言。

    ????? (3)?實(shí)現(xiàn)文法較為容易。在抽象語(yǔ)法樹中每一個(gè)表達(dá)式節(jié)點(diǎn)類的實(shí)現(xiàn)方式都是相似的,這些類的代碼編寫都不會(huì)特別復(fù)雜,還可以通過一些工具自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)類代碼。

    ????? (4)?增加新的解釋表達(dá)式較為方便。如果用戶需要增加新的解釋表達(dá)式只需要對(duì)應(yīng)增加一個(gè)新的終結(jié)符表達(dá)式或非終結(jié)符表達(dá)式類,原有表達(dá)式類代碼無須修改,符合“開閉原則”。

    ????? 2.?主要缺點(diǎn)

    ????? 解釋器模式的主要缺點(diǎn)如下:

    ????? (1)?對(duì)于復(fù)雜文法難以維護(hù)。在解釋器模式中,每一條規(guī)則至少需要定義一個(gè)類,因此如果一個(gè)語(yǔ)言包含太多文法規(guī)則,類的個(gè)數(shù)將會(huì)急劇增加,導(dǎo)致系統(tǒng)難以管理和維護(hù),此時(shí)可以考慮使用語(yǔ)法分析程序等方式來取代解釋器模式。

    ????? (2)?執(zhí)行效率較低。由于在解釋器模式中使用了大量的循環(huán)和遞歸調(diào)用,因此在解釋較為復(fù)雜的句子時(shí)其速度很慢,而且代碼的調(diào)試過程也比較麻煩。

    ????? 3.?適用場(chǎng)景

    ????? 在以下情況下可以考慮使用解釋器模式:

    ????? (1)?可以將一個(gè)需要解釋執(zhí)行的語(yǔ)言中的句子表示為一個(gè)抽象語(yǔ)法樹。

    ????? (2)?一些重復(fù)出現(xiàn)的問題可以用一種簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來進(jìn)行表達(dá)。

    ????? (3)?一個(gè)語(yǔ)言的文法較為簡(jiǎn)單。

    ????? (4)?執(zhí)行效率不是關(guān)鍵問題。【注:高效的解釋器通常不是通過直接解釋抽象語(yǔ)法樹來實(shí)現(xiàn)的,而是需要將它們轉(zhuǎn)換成其他形式,使用解釋器模式的執(zhí)行效率并不高。】

    ?

    練習(xí)

    Sunny軟件公司欲為數(shù)據(jù)庫(kù)備份和同步開發(fā)一套簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫(kù)同步指令,通過指令可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行備份,例如,輸入指令“COPY VIEW FROM srcDB TO desDB”表示將數(shù)據(jù)庫(kù)srcDB中的所有視圖(View)對(duì)象都拷貝至數(shù)據(jù)庫(kù)desDB;輸入指令“MOVE TABLE Student FROM srcDB TO desDB”表示將數(shù)據(jù)庫(kù)srcDB中的Student表移動(dòng)至數(shù)據(jù)庫(kù)desDB。試使用解釋器模式來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)庫(kù)同步指令。

    【注:本練習(xí)是2010年我在給某公司進(jìn)行設(shè)計(jì)模式內(nèi)訓(xùn)時(shí)該公司正在開發(fā)的一個(gè)小工具!】

    ????? 解釋器模式可以說是所有設(shè)計(jì)模式中難度較大、使用頻率較低的一個(gè)模式,如果您能夠靜下心來把這幾篇文章都看完,我相信您對(duì)解釋器模式應(yīng)該有了一個(gè)較為全面的了解,歡迎大家與我交流和討論。


    總結(jié)

    以上是生活随笔為你收集整理的自定义语言的实现——解释器模式的全部?jī)?nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

    如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò),歡迎將生活随笔推薦給好友。

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