Design Pattern: Interpreter 模式

2009-09-18 来源：riabook.cn

对于一个具有层次节点关系的问题来说，如果您要剖析每一个节点，您可以使用Interpreter模式，直译器模式有些类似演算法中的个别击破方式，对每一个父节点我们剖析出其子节点组合，然而交给子节点剖析物件继续剖析，直到剖析至终端节点为止。

举个例子来说明好了，先说明的是，这个例子是改写自 Design Patterns于Java语言之实习应用第23章的范例，我将之更简化了，以让大家将焦点能集中在如何使用Interpreter模式，以及如何实用。

假设您要实作一个Interpreter，这个Interpreter可以直译您文字档中的程式，并依您自订的程式文法来执行程式，几个简单的程式如下：

PROGRAM
    PRINT dog SPACE
    PRINT is SPACE
    PRINT an SPACE
    PRINT animai
END

您的这式程个会印出"dog is an animal"的文字，再来一个例子是：

PROGRAM
    REPEAT 2
        LINEBREAK
        PRINT dog
        BREAK
    END
END

这个程式要印出：
　

------------------------------
dog
------------------------------
dog

您也可以任意的组合程式，例如：

PROGRAM
    PRINT begin
    BREAK
    REPEAT 3
        REPEAT 2
            PRINT dog SPACE
            PRINT is SPACE
            PRINT a SPACE
            PRINT animal
            BREAK
        END
    END
END

这个程式中的几个关键字是PROGRAM、PRINT、SPACE、BREAK、LINEBREAK、REPEAT、END， PROGRAM是表示程式开始，以END作结，PRINT可以印出一个无空白的字串，SPACE印出一个空白，BREAK是换行，而LINEBREAK是画一个直线并换行，REPEAT是回圈指令，可以指定回圈次数，以END作结。

观察程式，可以制定出以下的文法，如下：

<program> ::= PROGRAM <command list>
<command list> ::= <command>* END
<command> ::= <repeat command> | <primitive command>
<repeat command> ::= REPEAT <number> <command list>
<primitive command> ::= PRINT <string>
| BREAK | SPACE | LINEBREAK

程式文法制定需要对程式进行语句分析与定义，在这边并不讨论这个课题，在程式中，command节点由primitive或repeat两个节点任意组合，一个command list节点则是零个以上的command节点组合而成，其中repeat还可以组合command list节点，这是组合模式的应用，可以在程式中组合巢状回圈。

在直译程式时，以读到PROGRAM作为开始节点，接下来我们剖析程式为command list 节点，并将它们丢给专门剖析command list的物件继续剖析，这个物件将之分析，看是不是有repeat command或primitive command节点，如果有就再往下交由专属物件进行剖析，如此层层剥开，并由专属物件负责剖析工作。

Interpreter模式的基本观念就如上所示，先来看看如何以程式实现剖析的过程，下面这个程式会剖析您的程式，并将程式加上对应的括号来将同一个区块组合起来，以表示它完成剖析之后的结果：
　

INode.java

public interface INode { 
    public void parse(Context context); 
}

ProgramNode.java

// <program> ::= PROGRAM <command list> 
public class ProgramNode implements INode { 
    private INode commandListNode; 
    public void parse(Context context) { 
        context.skipToken("PROGRAM"); 
        commandListNode = new CommandListNode(); 
        commandListNode.parse(context); 
    } 

    public String toString() { 
        return "[PROGRAM " + commandListNode + "]"; 
    } 
}

CommandListNode.java

import java.util.Vector; 

// <command list> ::= <command>* END 
public class CommandListNode implements INode { 
    private Vector list = new Vector();

    public void parse(Context context) { 
        while (true) { 
            if (context.currentToken() == null) { 
                System.err.println("Missing 'END'"); 
                 break; 
            } else if (
                    context.currentToken().equals("END")) { 
                context.skipToken("END"); 
                break; 
            } else { 
                INode commandNode = new CommandNode(); 
                commandNode.parse(context); 
                list.add(commandNode); 
            } 
        } 
    }

    public String toString() { 
        return "" + list; 
    } 
}

CommandNode.java

// <command> ::= <repeat command> | <primitive command> 
public class CommandNode implements INode { 
    private INode node;

    public void parse(Context context) { 
        if (context.currentToken().equals("REPEAT")) { 
            node = new RepeatCommandNode(); 
            node.parse(context); 
        } else { 
            node = new PrimitiveCommandNode(); 
            node.parse(context); 
        } 
    }

    public String toString() { 
        return node.toString(); 
    } 
}

RepeatCommandNode.java

public class RepeatCommandNode implements INode { 
    private int number; 
    private INode commandListNode; 

    public void parse(Context context) { 
        context.skipToken("REPEAT"); 
        number = context.currentNumber(); 
        context.nextToken(); 
        commandListNode = new CommandListNode(); 
        commandListNode.parse(context); 
    }

    public String toString() {
        return "[REPEAT " + number + " " 
                  + commandListNode + "]"; 
    } 
}

PrimitiveCommandNode.java

// <primitive command> ::= PRINT <string> 
//                           | SPACE | BREAK | LINEBREAK 
public class PrimitiveCommandNode implements INode {
    private String name;
    private String text;

    public void parse(Context context) { 
        name = context.currentToken(); 
        context.skipToken(name); 
        if (!name.equals("PRINT") && !name.equals("BREAK") 
             && !name.equals("LINEBREAK") 
             && !name.equals("SPACE")) { 
            System.err.println("Undefined Command"); 
        }

        if (name.equals("PRINT")) { 
            text = context.currentToken(); 
            name += text; 
            context.nextToken(); 
        } 
    }

    public String toString() { 
        return name; 
    } 
}

Context.java

import java.util.*; 

public class Context { 
    private StringTokenizer tokenizer; 
    private String currentToken; 

    public Context(String text) { 
        tokenizer = new StringTokenizer(text); 
        nextToken(); 
    } 

    public String nextToken() { 
        if (tokenizer.hasMoreTokens()) { 
            currentToken = tokenizer.nextToken(); 
        } else { 
            currentToken = null; 
        } 
        return currentToken; 
    } 

    public String currentToken() { 
        return currentToken; 
    } 

    public void skipToken(String token) { 
        if (!token.equals(currentToken)) { 
            System.err.println("Warning: " + token + 
                          " is expected, but " + 
                          currentToken + " is found."); 
        } 
        nextToken(); 
    } 

    public int currentNumber() { 
        int number = 0; 
        try { 
            number = Integer.parseInt(currentToken); 
        } catch (NumberFormatException e) { 
            System.err.println("Warning: " + e); 
        } 
        return number; 
    } 
}

Main.java

import java.util.*; 
import java.io.*;

public class Main { 
    public static void main(String[] args) { 
        try { 
            BufferedReader reader = new 
                  BufferedReader(new FileReader(args[0])); 
            String text; 
            while ((text = reader.readLine()) != null) { 
                System.out.println("text = \"" + 
                                       text + "\""); 
                INode node = new ProgramNode(); 
                node.parse(new Context(text)); 
                System.out.println("node = " + node); 
            } 
        } 
        catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) { 
            System.err.println(
                   "Usage: java Main yourprogram.txt"); 
        } 
        catch (Exception e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}

假设您的程式是这样写的：

program.txt

PROGRAM PRINT xxx END
PROGRAM REPEAT 4 PRINT xxx END END 
PROGRAM REPEAT 4 PRINT xxx PRINT "yyy" END END

则执行Intrepreter程式之后会是：

$ java Main program.txt
text = "PROGRAM PRINT xxx END"
node = [PROGRAM [PRINTxxx]]

text = "PROGRAM REPEAT 4 PRINT xxx END END"
node = [PROGRAM [[REPEAT 4 [PRINTxxx]]]]

text = "PROGRAM REPEAT 4 PRINT xxx PRINT "yyy" END END"
node = [PROGRAM [[REPEAT 4 [PRINTxxx, PRINT"yyy"]]]]

这个范例程式基本上已经显示了直译器模式的工作原理，如何让程式直译之后能够工作，这待会再示范，先来看一下Intrepreter模式的 UML 类别结构图：
　

TerminalExpression就像我们的primitive command，再剖析下去已经没有子节点了，而NonterminalExpression就像是repeat command，注意到其中也使用了组合模式，就如之前所说的，组合模式让可以递回的组合句子为更复杂的语句。

您已经会剖析句子了，接下来要如何让这个直译器真正工作，虽然程式中使用toString()来表示每一个节点的剖析结果，但事实上，这个程式也已经说明了如何让剖析的结果真正运作了，既然已经记录好剖析之后的语句顺序了，只要由上而下追踪剖析结果，就一定可以执行到 primitive command，且顺序符合自订的程式原始码的需求，这只要将toString()改为execute()，并作一些转发与重复执行的修改就可以了，直接来看程式会比较容易理解：

INode.java

public interface INode {
    public void parse(Context context);
    public void execute();
}

ProgramNode.java

// <program> ::= PROGRAM <command list>
public class ProgramNode implements INode {
    private INode commandListNode;

    public void parse(Context context) {
        context.skipToken("PROGRAM");
        commandListNode = new CommandListNode();
        commandListNode.parse(context);
    }

    public void execute() {
        commandListNode.execute();
    }

    public String toString() {
        return "[PROGRAM " + commandListNode + "]";
    }
}

CommandListNode.java

import java.util.*;    

// <command list> ::= <command>* END
public class CommandListNode implements INode {
    private Vector list = new Vector();
    private INode commandNode;

    public void parse(Context context) {
        while (true) {
            if (context.currentToken() == null) {
                System.err.println("Missing 'END'");
                break;
            } else if(context.currentToken().equals("END")) {
                context.skipToken("END");
                break;
            } else {
                commandNode = new CommandNode();
                commandNode.parse(context);
                list.add(commandNode);
            }
        }
    }

    public void execute() {
        Iterator it = list.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            ((CommandNode)it.next()).execute();
        }
    }

    public String toString() {
        return "" + list;
   }
}

CommandNode.java

// <command> ::= <repeat command> | <primitive command>
public class CommandNode implements INode {
    private INode node;

    public void parse(Context context) {
        if (context.currentToken().equals("REPEAT")) {
            node = new RepeatCommandNode();
            node.parse(context);
        } else {
            node = new PrimitiveCommandNode();
            node.parse(context);
        }
    }

    public void execute() {
        node.execute();
    }

    public String toString() {
        return node.toString();
    }
}

PrimitiveCommandNode.java

// <primitive command> ::= PRINT <string> 
//                           | SPACE | BREAK | LINEBREAK
public class PrimitiveCommandNode implements INode {
    private String name;
    private String text;

    public void parse(Context context) {
        name = context.currentToken();
        context.skipToken(name);
        if (!name.equals("PRINT") && !name.equals("BREAK") 
                           && !name.equals("LINEBREAK") 
                           && !name.equals("SPACE")) {
            System.err.println("Undefined Command");
        }

        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();
        else if(name.equals("LINEBREAK"))
            System.out.println(
                  "\n------------------------------");
    }

    public String toString() {
        return name;
    }
}

RepeatCommandNode.java

public class RepeatCommandNode implements INode {
    private int number;
    private INode commandListNode;

    public void parse(Context context) {
        context.skipToken("REPEAT");
        number = context.currentNumber();
        context.nextToken();
        commandListNode = new CommandListNode();
        commandListNode.parse(context);
    }

    public void execute() {
        for(int i = 0; i < number; i++)
            commandListNode.execute();
    }

    public String toString() {
        return "[REPEAT " + number + " " + 
                             commandListNode + "]";
    }
}

Context.java

import java.util.*;

public class Context {
    private StringTokenizer tokenizer;
    private String currentToken;

    public Context(String text) {
        tokenizer = new StringTokenizer(text);
        nextToken();
    }

    public String nextToken() {
        if (tokenizer.hasMoreTokens()) {
            currentToken = tokenizer.nextToken();
        } else {
            currentToken = null;
        }
        return currentToken;
    }

    public String currentToken() {
        return currentToken;
    }

    public void skipToken(String token) {
        if (!token.equals(currentToken)) {
            System.err.println("Warning: " + token + 
                           " is expected, but " + 
                           currentToken + " is found.");
        }
        nextToken();
    }

    public int currentNumber() {
        int number = 0;
        try {
            number = Integer.parseInt(currentToken);
        } catch (NumberFormatException e) {
            System.err.println("Warning: " + e);
        }
        return number;
    }
}

Main.java

import java.util.*;
import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            BufferedReader reader = new BufferedReader(
                               new FileReader(args[0]));
            String text;
            while ((text = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println("text = \"" + text 
                                      + "\"");
                INode node = new ProgramNode();
                node.parse(new Context(text));
                node.execute();
            }
        }
        catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            System.err.println(
                 "Useage: java Main yourprogram.txt");
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

假设您的直译程式稿是这么撰写的：

program.txt

PROGRAM REPEAT 4 LINEBREAK PRINT justin SPACE PRINT momor LINEBREAK END END

则程式执行的结果就是：
　

$ java Main program.txt
text = "PROGRAM REPEAT 4 LINEBREAK PRINT justin SPACE
PRINT momor LINEBREAK END END"
------------------------------
justin momor
------------------------------

------------------------------
justin momor
------------------------------

------------------------------
justin momor
------------------------------

------------------------------
justin momor
------------------------------

Design Patterns于Java语言之实习应用第23章的范例中，可以让您依指令稿直译，画出任何的图案，让范例结合了工厂（Factory）模式、外观（Facade）模式等等，在这边建议您看看那个范例，看看不同的设计模式之间如何组合且相互合作。

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