java23种设计模式-解释器模式

解释器模式（Interpreter Pattern）学习笔记

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1. 模式定义

行为型设计模式，给定一个语言，定义其文法的一种表示，并定义一个解释器，用于解释语言中的句子。通过构建语法树来实现特定领域语言的解释执行。

2. 适用场景

✅ 需要解释执行特定领域语言
✅ 文法规则相对稳定且易于扩展
✅ 需要频繁解释简单语法结构
✅ 不追求高效执行效率的场景
✅ 实现SQL解析、正则表达式引擎等

3. 模式结构

4. 核心角色

角色	说明
AbstractExpression	抽象表达式：声明解释操作的接口
TerminalExpression	终结符表达式：实现与文法中的终结符相关的解释操作
NonterminalExpression	非终结符表达式：维护包含其他表达式的结构，实现文法规则的组合解释逻辑
Context	上下文：包含解释器需要的全局信息
Client	客户端：构建语法树并调用解释方法

5. 代码示例

5.1 数学表达式解析器

java">// 上下文（存储变量值）
class MathContext {private Map<String, Integer> variables = new HashMap<>();public void setVariable(String name, int value) {variables.put(name, value);}public int getVariable(String name) {return variables.getOrDefault(name, 0);}
}// 抽象表达式
interface MathExpression {int interpret(MathContext context);
}// 终结符表达式 - 数字
class Number implements MathExpression {private int number;public Number(int number) {this.number = number;}public int interpret(MathContext context) {return number;}
}// 终结符表达式 - 变量
class Variable implements MathExpression {private String name;public Variable(String name) {this.name = name;}public int interpret(MathContext context) {return context.getVariable(name);}
}// 非终结符表达式 - 加法
class Add implements MathExpression {private MathExpression left;private MathExpression right;public Add(MathExpression left, MathExpression right) {this.left = left;this.right = right;}public int interpret(MathContext context) {return left.interpret(context) + right.interpret(context);}
}// 非终结符表达式 - 减法
class Subtract implements MathExpression {private MathExpression left;private MathExpression right;public Subtract(MathExpression left, MathExpression right) {this.left = left;this.right = right;}public int interpret(MathContext context) {return left.interpret(context) - right.interpret(context);}
}// 客户端
public class Client {public static void main(String[] args) {// 构建表达式：a + (b - 10)MathContext context = new MathContext();context.setVariable("a", 20);context.setVariable("b", 30);MathExpression expression = new Add(new Variable("a"),new Subtract(new Variable("b"),new Number(10)));int result = expression.interpret(context);System.out.println("计算结果: " + result); // 输出：20 + (30-10) = 40}
}

6. 模式变种

6.1 支持优先级运算

java">class Multiply extends BinaryExpression {public Multiply(MathExpression left, MathExpression right) {super(left, right);}public int interpret(MathContext context) {return left.interpret(context) * right.interpret(context);}
}class Power extends BinaryExpression {public Power(MathExpression left, MathExpression right) {super(left, right);}public int interpret(MathContext context) {return (int) Math.pow(left.interpret(context),right.interpret(context));}
}

7. 优缺点分析

✔️ 优点：

易于扩展新的文法规则
实现语言解释器的标准模式
将语法解析与表达式求值分离
符合单一职责原则

❌ 缺点：

复杂文法难以维护（类数量爆炸）
执行效率较低（递归调用多）
应用场景有限
难以处理左递归文法

8. 相关模式对比

模式	目的	关键区别
组合模式	树形结构处理	解释器通常使用组合模式构建语法树
访问者模式	分离数据结构与操作	解释器模式侧重语法解析，访问者侧重数据操作
策略模式	封装算法族	解释器模式处理语言解析，策略处理算法选择

9. 实际应用案例

Java正则表达式引擎（Pattern/Matcher）
Spring表达式语言（SpEL）
SQL解析器实现
金融领域的业务规则引擎
编译器语法分析阶段
XML文档解析器
数学公式计算器

10. 最佳实践建议

使用组合模式构建语法树：

java">abstract class BinaryExpression implements MathExpression {protected MathExpression left;protected MathExpression right;public BinaryExpression(MathExpression left, MathExpression right) {this.left = left;this.right = right;}
}

结合工厂模式创建表达式：

java">class ExpressionFactory {public static MathExpression create(String expr) {// 解析表达式字符串，构建语法树// 示例：解析 "a + b * 3"return new Add(new Variable("a"),new Multiply(new Variable("b"),new Number(3)));}
}

实现上下文缓存优化：

java">class CachedExpression implements MathExpression {private MathExpression expression;private Map<MathContext, Integer> cache = new WeakHashMap<>();public CachedExpression(MathExpression expression) {this.expression = expression;}public int interpret(MathContext context) {return cache.computeIfAbsent(context, ctx -> expression.interpret(ctx));}
}

使用访问者模式实现多种操作：

java">interface ExpressionVisitor {void visit(Number number);void visit(Variable variable);void visit(Add add);void visit(Subtract subtract);
}class PrintVisitor implements ExpressionVisitor {public void visit(Number number) {System.out.print(number.value);}public void visit(Variable variable) {System.out.print(variable.name);}public void visit(Add add) {add.left.accept(this);System.out.print(" + ");add.right.accept(this);}// 其他visit方法...
}

📜 设计原则体现：

单一职责原则：每个表达式类只处理特定语法元素
开闭原则：新增表达式类型无需修改现有代码
组合优于继承：通过组合方式构建复杂表达式

11. 扩展应用（SQL条件解析）

java">// 条件表达式接口
interface Condition {boolean interpret(Map<String, Object> row);
}// 等于条件
class Equals implements Condition {private String column;private Object value;public Equals(String column, Object value) {this.column = column;this.value = value;}public boolean interpret(Map<String, Object> row) {return value.equals(row.get(column));}
}// AND条件
class And implements Condition {private Condition left;private Condition right;public And(Condition left, Condition right) {this.left = left;this.right = right;}public boolean interpret(Map<String, Object> row) {return left.interpret(row) && right.interpret(row);}
}// 使用示例
Condition condition = new And(new Equals("status", "active"),new Or(new Equals("age", 25),new GreaterThan("score", 80))
);Map<String, Object> row = new HashMap<>();
row.put("status", "active");
row.put("age", 26);
row.put("score", 85);boolean result = condition.interpret(row); // 返回true