[设计模式]解释器(Interpreter)之大胆向MM示爱吧

为方便读者，本文已添加至索引：

写在前面

“我刚写了个小程序，需要你来参与下。”我把MM叫到我的电脑旁，“来把下面这条命令打进去，这是个练习打(Pian)符(ni)号(de)的小程序，看看你能不能全部打正确”。

[*_]_7@1_9@1/(_5@0_3@0)*2/((_4@0)_2$1)_$2^/$1+(_7@0)*2/_$1_6$3/$3_2$3/_3$3_3@0/_5$3

MM诧异地看看我，然后可怜巴巴地坐到屏幕前，对着键盘一个字一个字地敲。她打字超慢的，各种符号都是用两个食指打进去的。她打着打着，说想哭了。我赶忙告诉她，加油，全打正确了有惊喜。

终于，她敲下了回车键。映入眼帘的是：

       _         _
     *   *     *   *     
    *      * *      *    
    *       *       *    
     *             *     
       *         *       
          *   *          
            *

See Result

她忽然就开心起来，问我这个是怎么回事。我告诉她，“这说明你刚才的命令输对了，电脑按照命令画出了它~。要不再接再厉，试试下面这个更有挑战性的？”

[#*]_@1*5/_(_2@1*2)/$0_9@1*6_(_@1*4)*2_3@1*5/$0_6$0_2$0*2+(_$0)*3/$0_5$0_3$0*3_3@1*8/(_2@0*2)_4@0+$3_3$3*2+(_@0*2)_2$3/$4_4@0_$3_2$3_4@0*3_3$3_2$3/@0*7_5@0*5_4$3_7@0*6

……

是不是读者你也想知道这个会是什么结果了吧？这当然跟我们今天的主题，解释器模式有关啦！会在示例一节展开。

其实，我们平时接触到的解释器模式相关的实际例子并不太多，最常见的莫过于正则表达式了。它通过规定一系列的文法规则，并给予了相关的解释操作，从而成为处理字符串的通用强大的工具。首先我们了解下解释器模式的相关技术要点，然后在示例部分，我们将解释上文中所出现的莫名的式子。

要点梳理

目的分类
- 类行为型模式
范围准则

类（该模式处理类和子类之间的关系，这些关系通过继承建立，是静态的，在编译时刻便确定下来了）

主要功能
- 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。
适用情况
- 当有一个语言需要解释执行, 并且我们可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时，可使用解释器模式。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。
参与部分
- AbstractExpression（抽象表达式）：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（终结符表达式）：实现与文法中的终结符相关联的解释操作，一个句子中的每个终结符需要该类的一个实例
- NonterminalExpression（非终结符表达式）：为文法中的非终结符实现解释操作。解释时，一般要递归调用它所维护的AbstractExpression类型对象的解释操作
- Context（上下文）：包含解释器之外的一些全局信息
- Client（用户）：构建(或被给定) 表示该文法定义的语言中一个特定的句子的抽象语法树。该抽象语法树由TerminalExpression和NonterminalExpression的实例装配而成。
协作过程
- Client构建一个句子，它是TerminalExpression和NonterminalExpression的实例的一个抽象语法树，然后初始化上下文，并调用解释操作。
- 每一非终结符表达式节点定义相应子表达式的解释操作。
- 每一节点的解释操作用上下文来存储和访问解释器的状态。
UML图

示例分析 - 字符画解释器

为了让MM不明觉厉，我想到了通过简单的解释器来实现，从字符串到一个字符画的转换过程。我觉得利用stringstream流可以方便地构建一个字符画，因此，我们首先确定我们实现这个模式的上下文（Context）就是stringstream对象。然后我们定义一些具体的字符操作表达式。它们是可以画出字符画的一些基本操作：

TerminalExpression：

Constant：常量表达式。它也是终结符表达式。它的解释操作就是将一个固定的string插入到Context流中。

NonterminalExpression：

RepeatExpression：重复表达式。它是非终结符表达式。它的解释操作就是使一个Expression重复N次。
AddExpression：加法表达式。非终结符表达式。它的解释操作是使两个Expression拼接在一起。
ReverseExpression：反转表达式。非终结符表达式。它的解释操作是使一个Expression逆序。

可以看到这几个表达式是可以构成抽象语法树的。让我们看看代码：

 1 #ifndef EXPRESSION_H_INCLUDED
 2 #define EXPRESSION_H_INCLUDED
 3 
 4 #include <string>
 5 #include <sstream>
 6 
 7 using namespace std;
 8 
 9 // ... Abstract Class ...
10 class Expression {
11 public:
12     Expression() {}
13     virtual ~Expression() {}
14 
15     virtual void eval(stringstream&) = 0;
16 };
17 
18 // ... RepeatExpression Class ...
19 class RepeatExpression : public Expression {
20 public:
21     RepeatExpression(Expression*, int);
22 
23     void eval(stringstream&);
24 private:
25     Expression* _oper;
26     int         _mNum;
27 };
28 
29 // ... AddExpression Class ...
30 class AddExpression : public Expression {
31 public:
32     AddExpression(Expression*, Expression*);
33 
34     void eval(stringstream&);
35 private:
36     Expression* _oper1;
37     Expression* _oper2;
38 };
39 
40 // ... ReverseExpression Class ...
41 class ReverseExpression : public Expression {
42 public:
43     ReverseExpression(Expression*);
44 
45     void eval(stringstream&);
46 private:
47     Expression* _oper;
48 };
49 
50 // ... Constant Class ...
51 class Constant : public Expression {
52 public:
53     Constant(const char*);
54     Constant(const char*, int);
55 
56     void eval(stringstream&);
57 private:
58     string _mStr;
59 };
60 
61 #endif // EXPRESSION_H_INCLUDED

expression.h

 1 #include "expression.h"
 2 #include <algorithm>
 3 using namespace std;
 4 
 5 // ... RepeatExpression  BEGIN ...
 6 RepeatExpression::RepeatExpression(Expression* oper, int m) {
 7     _oper = oper;
 8     _mNum = m;
 9 }
10 
11 void RepeatExpression::eval(stringstream& ss) {
12     stringstream t_str;
13     _oper->eval(t_str);
14     for (int i = 0; i < _mNum; i++) {
15         ss << t_str.str();
16     }
17 }
18 // ... RepeatExpression  END ...
19 
20 // ... AddExpression BEGIN ...
21 AddExpression::AddExpression(Expression* oper1, Expression* oper2) {
22     _oper1 = oper1;
23     _oper2 = oper2;
24 }
25 
26 void AddExpression::eval(stringstream& ss) {
27     stringstream t_str;
28     _oper1->eval(t_str);
29     _oper2->eval(t_str);
30     ss << t_str.str();
31 }
32 // ... AddExpression END ...
33 
34 // ... ReverseExpression BEGIN ...
35 ReverseExpression::ReverseExpression(Expression* o) {
36     _oper = o;
37 }
38 
39 void ReverseExpression::eval(stringstream& ss) {
40     stringstream t_str;
41     _oper->eval(t_str);
42     string str = t_str.str();
43     reverse(str.begin(), str.end());
44     ss << str;
45 }
46 // ... ReverseExpression END ...
47 
48 // ... Constant BEGIN ...
49 Constant::Constant(const char* str) {
50     _mStr = string(str);
51 }
52 
53 Constant::Constant(const char* str, int len) {
54     _mStr = string(str, len);
55 }
56 
57 void Constant::eval(stringstream& ss) {
58     ss << _mStr;
59 }
60 // ... Constant END ...

expression.cpp

到了这里，我们如果想生成一个字符画: "~~o>_<o~~"，可以这么做：

1 stringstream ss;
2 
3 Expression* e1 = new RepeatExpression(new Constant("~"), 2);
4 Expression* e2 = new AddExpression(e1, new Constant("o>"));
5 Expression* e3 = new AddExpression(e2, new Constant("_"));
6 Expression* result = new AddExpression(e3, new ReverseExpression(e2));
7 
8 result->eval(ss);
9 cout << ss.str() << endl;

其实解释器模式部分的编程已经结束了。但显然这个并没有达到前言中翻译那串莫名字符串的目的。为此，我们还需在此基础上，定义一些语法，写一个语法分析器来将那串字符构建成抽象语法树。这里，我就偷懒了，写了个非常简单，没有什么优化的语法分析器：

// 定义的一些符号含义：
//      []  ----  字符集
//      ()  ----  分组
//      @N  ----  取字符集中第N个字符(N从0开始)
//      *N  ----  *前面的表达式重复N次
//      $N  ----  取第N个分组(N从0开始，分组由括号顺序确定，嵌套的括号以从里到外的规则递增)
//      +   ----  加号两边的表达式拼接
//      ^   ----  ^前面的表达式逆序
//      _N  ----  拼接N个空格
//      /   ----  拼接一个换行符

具体代码如下：

 1 #ifndef TRANSLATOR_H_INCLUDED
 2 #define TRANSLATOR_H_INCLUDED
 3 
 4 #include <string>
 5 #include <vector>
 6 using namespace std;
 7 
 8 class Expression;
 9 
10 class Translator {
11 public:
12     Translator();
13     ~Translator();
14     Expression* translate(string& str);
15 
16 private:
17     Expression* translateExp(string& str);
18     char*   _mCharSet;
19     vector<Expression*> _mExpGroup;
20 };
21 
22 #endif // TRANSLATOR_H_INCLUDED

Translator.h

  1 #include "Translator.h"
  2 #include "expression.h"
  3 #include <cstring>
  4 #include <cstdlib>
  5 using namespace std;
  6 
  7 Translator::Translator() {
  8     _mCharSet = 0;
  9 }
 10 
 11 Translator::~Translator() {
 12     if (_mCharSet) delete[] _mCharSet;
 13 }
 14 
 15 Expression* Translator::translate(string& str) {
 16     Expression* result = 0;
 17     for(unsigned int i = 0; i < str.size(); i++ ) {
 18         if (str.at(i) == '[') {
 19             int sEnd = str.find_last_of("]");
 20             int sLen = sEnd - i - 1;
 21             if (_mCharSet) delete[] _mCharSet;
 22             _mCharSet = new char[sLen];
 23             strcpy(_mCharSet, str.substr(i+1, sLen).data());
 24             i = sEnd;
 25         } else if (str.at(i) == '@') {
 26             int sChar = atoi(str.substr(i + 1, 1).c_str());
 27             Expression* tmp = new Constant(&_mCharSet[sChar], 1);
 28             result = tmp;
 29             i = i + 1;
 30         } else if (str.at(i) == '(') {
 31             int pos = i + 1;
 32             int left = 0;
 33             for (;pos < str.size(); pos++) {
 34                 if (str.at(pos) == ')') {
 35                     if (left == 0)
 36                         break;
 37                     else
 38                         left--;
 39                 }
 40                 if (str.at(pos) == '(')
 41                     left++;
 42             }
 43             string t_str = str.substr(i + 1, pos - i - 1);
 44             Expression* tmp = translate(t_str);
 45             _mExpGroup.push_back(tmp);
 46             result = tmp;
 47             i = pos;
 48         } else if (str.at(i) == '+') {
 49             string t_str = str.substr(i + 1);
 50             result = new AddExpression(result, translate(t_str));
 51             break;
 52         } else if (str.at(i) == '*') {
 53             int pos = i+1;
 54             for (;pos < str.size();pos++) {
 55                 if (str.at(pos) > '9' || str.at(pos) < '0') break;
 56             }
 57             pos--;
 58             int sRep = atoi(str.substr(i + 1, pos - i).c_str());
 59             Expression* tmp = new RepeatExpression(result, sRep);
 60             result = tmp;
 61             i = pos;
 62         } else if (str.at(i) == '^') {
 63             Expression* tmp = new ReverseExpression(result);
 64             result = tmp;
 65         } else if (str.at(i) == '$') {
 66             int pos = i+1;
 67             for (;pos < str.size();pos++) {
 68                 if (str.at(pos) > '9' || str.at(pos) < '0') break;
 69             }
 70             pos--;
 71             int nGroup = atoi(str.substr(i + 1, pos - i).c_str());
 72             if (nGroup >= _mExpGroup.size()) return 0;
 73             result = _mExpGroup[nGroup];
 74             i = pos;
 75         } else if (str.at(i) == '/') {
 76             string t_str = str.substr(i + 1);
 77             Expression* tmp = new Constant("\n");
 78             if (!result) {
 79                 result = new AddExpression(tmp, translate(t_str));
 80             }
 81             else {
 82                 result = new AddExpression(new AddExpression(result, tmp), translate(t_str));
 83             }
 84             break;
 85         } else if (str.at(i) == '_') {
 86             int pos = i+1;
 87             for (;pos < str.size();pos++) {
 88                 if (str.at(pos) > '9' || str.at(pos) < '0') break;
 89             }
 90             pos--;
 91             int sRep = (pos == i) ? 1 : atoi(str.substr(i + 1, pos - i).c_str());
 92             string t_str = str.substr(pos + 1);
 93             Expression* tmp = new RepeatExpression(new Constant(" "), sRep);
 94             if (!result) {
 95                 result = new AddExpression(tmp, translate(t_str));
 96             }
 97             else {
 98                 result = new AddExpression(new AddExpression(result, tmp), translate(t_str));
 99             }
100             break;
101         }
102     }
103     return result;
104 }

Translator.cpp

再次强调，这个语法分析器，并不是解释器模式所讲的内容。好了，写个简单的main函数就可以运行了：

 1 #include <iostream>
 2 #include "expression.h"
 3 #include "Translator.h"
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 int main()
 8 {
 9     cout << "Input your command below: " << endl;
10     string str;
11     getline(cin, str);
12     Translator translator;
13     
14     // ... Generate the Abstract Grammar Tree by Translator
15     Expression* myExp = translator.translate(str);
16     if (!myExp) return 1;
17    
18     // ... Call Its Interpret Operation
19     stringstream ss;
20     myExp->eval(ss);
21 
22     cout << ss.str() << endl;
23     return 0;
24 }

那么我们输入之前第二串字符试试：

 *****
   **
  **         ******  **** ****   *****
  **        **    **  **   **   **   **
  **       **     **  **  **   ******** 
  ##    #  ##     ##  ## ##    ##
 ##    #   ##    ##    ###     ##    ##
#######     #####      ##       ######

MM表示很开心。对于这个示例的UML图：

特点总结

我们可以看到，Interpreter解释器模式有以下优点和缺点：

易于改变和扩展文法。因为该模式使用类来表示文法规则，我们可以使用继承来改变或扩展该文法。多加一种文法就新增一个类。
也易于实现文法。定义抽象语法树中各个节点的类的实现大体类似。通常它们也可用一个编译器或语法分析程序生成器自动生成。
复杂的文法难以维护。解释器模式为文法中的每一条规则至少定义了一个类，因此包含许多规则的文法可能难以管理和维护。

同时我们可以看到，它和其他设计模式：Composite（组合）模式有着许多相通的地方。具体可以参见之前的笔记。

写在最后

今天的笔记就到这里了，欢迎大家批评指正！如果觉得可以的话，好文推荐一下，我会非常感谢的！

posted on 2014-04-04 16:29 时の魔导士阅读(1515) 评论(5) 编辑收藏举报

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