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精读《设计模式 – Interpreter 解释器模式》

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Interpreter(解释器模式)

 

Interpreter(解释器模式)属于行为型模式。

 

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。

 

任何一门语言,无论是日常语言还是编程语言都有明确的语法,只要有语法就可以用文法描述,并通过语法解释器将字符串的语言结构化。

 

举例子

 

如果看不懂上面的意图介绍,没有关系,设计模式需要在日常工作里用起来,结合例子可以加深你的理解,下面我准备了三个例子,让你体会什幺场景下会用到这种设计模式。

 

SQL 解释器

 

SQL 是一种描述语言,所以也适用于解释器模式。不同的 SQL 方言有不同的语法,我们可以根据某种特定的 SQL 方言定制一套适配它的文法表达式,再利用 antlr 解析为一颗语法书。在这个例子中,antlr 就是解释器。

 

代码编译器

 

程序语言也因为其天然是字符串的原因,和 SQL、日常语言都类似,需要一种模式解析后才能工作。不同的语言有不同的文法表示,我们只需要一个类似 antlr 的通用解释器,通过传入不同的文法表示,返回不同的对象结构。

 

自然语言处理

 

自然语言处理也是解释器的一种,首先自然语言处理一般只能处理日常语言的子集,因此先定义好支持的范围,再定义一套分词系统与文法表达式,并将分词后的结果传入灌入了此文法表达式的解释器,这样解释器可以返回结构化数据,根据结构化数据再进行分析与加工。

 

意图解释

 

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。

 

对于给定的语言,可以是 SQL、代码或自然语言,“定义它的文法的一种表示” 即文法可以有多种表示,只需定义一种。要注意的是,不同文法执行效率会有差异。

 

“并定义一个解释器”,这个解释器就是类似 antlr 的东西,传给它一个文法表达式,就可以解析句子了。即:解释器(语言, ) = 抽象语法树。

 

我们可以直接把文法定义耦合到解释器里,但这样做会导致语法复杂时,解释器难以维护。比较好的方式是定义一套与解释器解耦的文法表达式,通过预处理器最终生成解释器。

 

结构图

Context 是其他上下文变量,AbstractExpression 是抽象语法表达式。

 

可以看到,TerminalExpression(终结符)与 NonterminalExpression(非终结符) 都继承于 AbstractExpression,终结符指的是没有后续展开的符号,非终结符相反,所以非终结符又指向了 AbstractExpression,如此递归。

 

代码例子

 

下面例子使用 typescript 编写。

 

假设我们要实现以下文法:

 

sum    ::= number + number
number ::= 1 | 2

 

表达一个最简单的加法文法,其中加法表达式 sum 和 number 都是非终结符,而 +、1、2 是终结符。这个例子只能做到 1 与 2 的加法,通过这个简单例子,了解一下解释器模式的精髓吧:

 

// 抽象表达式
class AbstractExpression {
  interpret (text: string) {}
}
// 终结符表达式
class TerminalExpression extends AbstractExpression {
  constructor(values: string[]) {
    this.values = values
  }
  interpret(value: string) {
    // 值必须是其中之一
    return this.values.includes(value)
  }
}
// 非终结符表达式
class NonterminalExpression extends AbstractExpression {
  constructor(left: TerminalExpression, right: TerminalExpression) {
    this.left = left
    this.right = right
  }
  interpret(value: string) {
    if (value.indexOf("+") === -1) {
      // 必须包含 + 号
      return false
    }
    const splitValue = value.split('+')
    return this.left.interpret(splitValue[0]) 
      && this.right.interpret(splitValue[1])
  }
}
// 调用
const context = new Context()
const terminal = new TerminalExpression(["1", "2"])
const add = new AddExpression(terminal, terminal)
add.interpreter("1 + 1") // true
add.interpreter("1 + 2") // true
add.interpreter("1 + 3") // false
add.interpreter("2 - 1") // false

 

遇到非终结符则继续调用,只有终结符才能直接判断,原理很简单。

 

弊端

 

上面的例子是比较低效场景,因为当语法复杂后,类的数目会明显增多,难以维护,此时需要用一个通用语法解析器,了解更多可以看笔者之前的文章: 精读《手写 SQL 编译器 – 语法分析》 系列。

 

总结

 

解释器是一种思维,将复杂语法解析抽象为一个个独立的终结符与非终结符各自判断,只要每个文法自己的判断做好了,剩下的工作就是组装文法。

 

这种将单个逻辑判断与文法组装解耦的做法,可以使逻辑判断与文法组装独立变换,使复杂语法解析转化为一个个具体的简单问题。

 

讨论地址是: 精读《设计模式 – Interpreter 解释器模式》· Issue #296 · dt-fe/weekly

 

 

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