设计模式：解释器（Interpreter）模式

设计模式：解释器（Interpreter）模式

一、前言

    这是我们23个设计模式中最后一个设计模式了，大家或许也没想到吧，竟然是编译原理上的编译器，这样说可能不对，因为编译器分为几个部分组成呢，比如词法分析器、语法分析器、语义分析器、中间代码优化器以及最终的最终代码生成器。而这个解释器其实就是完成了对语法的解析，将一个个的词组解释成了一个个语法范畴，之后拿来使用而已。

   为什么会有这个解释器模式呢，我想这是从编译原理中受到启发的，使用了这样的一个解释器可以在Java语言之上在定义一层语言，这种语言通过Java编写的解释器可以放到Java环境中去执行，这样如果用户的需求发生变化，比如打算做其他事情的时候，只用在自己定义的新的语言上进行修改，对于Java编写的代码不需要进行任何的修改就能在Java环境中运行，这是非常有用的。这就好像，虽然不管怎么编译，最终由中间代码生成最终代码（机器码）是依赖于相应的机器的。但是编译器却能理解高级语言和低级语言，无论高级语言的程序是怎么样编写的，编译器的代码是不用修改的，而解释器模式就是想做一个建立在Java和我们自定义语言之间的编译器。

 

二、代码

   本程序使用自顶向下文法来解析源程序：

   首先是文法的定义：

1 <program> -> program <Command List>
2 
3 <Command List> -> <Command>*   end
4 
5 <Command> -> <Repeat Command> | <Primitive Command>
6 
7 <Repeat Command> -> repeat <number> <Command List>
8 
9 <Primitive Command> -> go | right | left

    由此可以生成一颗语法树。

    然后使用自顶向下文法生成这样的语法树，自顶向下文法从根节点开始，不断的向下解析，遇到一个语法范畴就尝试着自己的定义去解析，直至解析到相应的程序，这里要注意二义性问题，不能尝试两种解析方式都能对源程序解析成功；在实现的时候将一个语法范畴定义为一个类，然后不断地递归的去解析，直至到了叶子节点，将所有的单词解析完毕。

 Node抽象类：

1 package zyr.dp.interpreter;
2 
3 public abstract class Node {
4     public abstract void parse(Context context) throws ParseException;
5 }

 ProgramNode：起始节点  <program> -> program <Command List>

 1 package zyr.dp.interpreter;
 2 
 3 public class ProgramNode extends Node {
 4 
 5     private Node commandListNode;
 6     public void parse(Context context) throws ParseException {
 7         context.skipToken("program");
 8         commandListNode=new CommandListNode();
 9         commandListNode.parse(context);
10     }
11     public String toString(){
12         return "[program "+commandListNode+"]";
13     }
14 
15 }

  CommandListNode类： <Command List> -> <Command>* end

 1 package zyr.dp.interpreter;
 2 
 3 import java.util.ArrayList;
 4 
 5 public class CommandListNode extends Node {
 6 
 7     private ArrayList list=new ArrayList();
 8     
 9     public void parse(Context context) throws ParseException {
10         while(true){
11             if(context.getCurrentToken()==null){
12                 throw new ParseException("错误！！！"+"当前字符为空");
13             }else if(context.getCurrentToken().equals("end")){
14                 context.skipToken("end");
15                 break;
16             }else{
17                 Node commandNode=new CommandNode();
18                 commandNode.parse(context);
19                 list.add(commandNode);
20             }
21         }
22     }
23     
24     public String toString(){
25         return list.toString();
26     }
27 
28 }

 CommandNode类： <Command> -> <Repeat Command> | <Primitive Command>

 1 package zyr.dp.interpreter;
 2 
 3 public class CommandNode extends Node {
 4 
 5     private Node node;
 6     public void parse(Context context) throws ParseException {
 7         if(context.getCurrentToken().equals("repeat")){
 8             node = new RepeatCommandNode();
 9             node.parse(context);
10         }else{
11             node = new PrimitiveCommandNode();
12             node.parse(context);
13         }
14     }
15     
16     public String toString(){
17         return node.toString();
18     }
19 
20 }

RepeatCommandNode 类：<Repeat Command> -> repeat <number> <Command List>

 1 package zyr.dp.interpreter;
 2 
 3 public class RepeatCommandNode extends Node {
 4 
 5     private int number;
 6     private Node commandListNode;
 7     public void parse(Context context) throws ParseException {
 8         context.skipToken("repeat");
 9         number=context.currentNumber();
10         context.nextToken();
11         commandListNode=new CommandListNode();
12         commandListNode.parse(context);
13     }
14     public String toString(){
15         return "[repeat "+number+"  "+commandListNode+"]";
16     }
17 
18 }

 PrimitiveCommandNode类：<Primitive Command> -> go | right | left

 1 package zyr.dp.interpreter;
 2 
 3 public class PrimitiveCommandNode extends Node {
 4 
 5     String name;
 6     public void parse(Context context) throws ParseException {
 7         name=context.getCurrentToken();
 8         context.skipToken(name);
 9         if(!name.equals("go") && !name.equals("left") && !name.equals("right") ){
10             throw new ParseException("错误！！！非法字符："+name);
11         }
12     }
13 
14     public String toString(){
15         return name;
16     }
17 }

 ParseException类：

 1 package zyr.dp.interpreter;
 2 
 3 public class ParseException extends Exception {
 4 
 5     private static final long serialVersionUID = 3996163326179443976L;
 6 
 7     public ParseException(String word){
 8         super(word);
 9     }
10 
11 }

Context 类，承载了词法分析的职责，为上面的语法树提供单词，遍历程序，当然没考虑到程序的注释等处理信息。

 1 package zyr.dp.interpreter;
 2 
 3 import java.util.StringTokenizer;
 4 
 5 public class Context {
 6 
 7     private StringTokenizer tokenizer ;
 8     private String currentToken;
 9     public Context(String token){
10         tokenizer=new StringTokenizer(token);
11         nextToken();
12     }
13     public String nextToken() {
14         if(tokenizer.hasMoreTokens()){
15             currentToken=tokenizer.nextToken();
16         }else{
17             currentToken=null;
18         }
19         return currentToken;
20     }
21     public String getCurrentToken(){
22         return currentToken;
23     }
24     public void skipToken(String token) throws ParseException{
25         if(!token.equals(currentToken)){
26             throw new ParseException("错误！！！"+"期待"+currentToken+"但是却得到"+token);
27         }
28         nextToken();
29     }
30     public int currentNumber() throws ParseException{
31         int num=0;
32         try{
33             num=Integer.parseInt(currentToken);
34         }catch(NumberFormatException e){
35             throw new ParseException(e.toString());
36         }
37         return num;
38     }
39     
40 }

    Main类，读取用户编写的程序并且执行词法分析和语法分析。这里的词法分析就是简单的遍历程序，语法分析采用的自顶向下的语法分析，对于上下文无关文法可以检测到语法错误，并且能生成语法范畴，但是这些语法范畴是我们能看到的，不是及其最终可以拿来去处理的，真正要编写编译系统，最好使用，自下而上的算符优先文法等方式来分析。

 1 package zyr.dp.text;
 2 
 3 import java.io.BufferedReader;
 4 import java.io.FileNotFoundException;
 5 import java.io.FileReader;
 6 import java.io.IOException;
 7 
 8 import zyr.dp.interpreter.*;
 9 
10 public class Main {
11 
12     public static void main(String[] args) {
13         
14         try {
15             BufferedReader  reader = new BufferedReader(new FileReader("program.txt"));
16             String line=null;
17             while((line=reader.readLine())!=null){
18                 System.out.println("源程序为："+line);
19                 System.out.println("自顶向下解析为：");
20                 Node node=new ProgramNode();
21                 node.parse(new Context(line));
22                 System.out.println(node);
23             }
24         } catch (FileNotFoundException e) {
25             e.printStackTrace();
26         } catch (IOException e) {
27             e.printStackTrace();
28         } catch (ParseException e) {
29             e.printStackTrace();
30         }
31         
32     }
33 
34 }

 运行结果：

  源程序：

  在这里我专门写错了一个源程序：

1 program end
2 program go end
3 program go right  go right  go right  go right  go right  go right  end
4 program repeat 4 go right end end
5 program repeat 4 repeat 3  go right end go right end end
6 program repeat 4 go right end

    可以看到编译器检测到了语法错误，对于语法正确的，也形式化的生成了自己的分析结果，使用[ ]括起来的就是语法范畴了，形成层次递归嵌套结构。

三、总结

    最后的设计模式是解释器模式，在Java这种高级语言之上再次定义一种语言的编译器，然后在不改动这个编译器的条件下，也就是不改变Java代码就能够随意的书写更高级的代码，然后执行。在这种模式之下java程序都不用修改，只用修改上面的文本文件就可以了，非常的方便，适合于结构已经固定，但是可以随意修改功能的场合。