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：

 package zyr.dp.interpreter;

 public abstract class Node {
     public abstract void parse(Context context) throws ParseException;
 }

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

 package zyr.dp.interpreter;

 public class ProgramNode extends Node {

     private Node commandListNode;
     public void parse(Context context) throws ParseException {
         context.skipToken("program");
         commandListNode=new CommandListNode();
         commandListNode.parse(context);
     }
     public String toString(){
         return "[program "+commandListNode+"]";
     }

 }

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

 package zyr.dp.interpreter;

 import java.util.ArrayList;

 public class CommandListNode extends Node {

     private ArrayList list=new ArrayList();

     public void parse(Context context) throws ParseException {
         while(true){
             if(context.getCurrentToken()==null){
                 throw new ParseException("错误！！！"+"当前字符为空");
             }else if(context.getCurrentToken().equals("end")){
                 context.skipToken("end");
                 break;
             }else{
                 Node commandNode=new CommandNode();
                 commandNode.parse(context);
                 list.add(commandNode);
             }
         }
     }

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

 }

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

 package zyr.dp.interpreter;

 public class CommandNode extends Node {

     private Node node;
     public void parse(Context context) throws ParseException {
         if(context.getCurrentToken().equals("repeat")){
             node = new RepeatCommandNode();
             node.parse(context);
         }else{
             node = new PrimitiveCommandNode();
             node.parse(context);
         }
     }

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

 }

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

 package zyr.dp.interpreter;

 public class RepeatCommandNode extends Node {

     private int number;
     private Node commandListNode;
     public void parse(Context context) throws ParseException {
         context.skipToken("repeat");
         number=context.currentNumber();
         context.nextToken();
         commandListNode=new CommandListNode();
         commandListNode.parse(context);
     }
     public String toString(){
         return "[repeat "+number+"  "+commandListNode+"]";
     }

 }

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

 package zyr.dp.interpreter;

 public class PrimitiveCommandNode extends Node {

     String name;
     public void parse(Context context) throws ParseException {
         name=context.getCurrentToken();
         context.skipToken(name);
         if(!name.equals("go") && !name.equals("left") && !name.equals("right") ){
             throw new ParseException("错误！！！非法字符："+name);
         }
     }

     public String toString(){
         return name;
     }
 }

 ParseException类：

 package zyr.dp.interpreter;

 public class ParseException extends Exception {

     private static final long serialVersionUID = 3996163326179443976L;

     public ParseException(String word){
         super(word);
     }

 }

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。

 package zyr.dp.interpreter;

 import java.util.StringTokenizer;

 public class Context {

     private StringTokenizer tokenizer ;
     private String currentToken;
     public Context(String token){
         tokenizer=new StringTokenizer(token);
         nextToken();
     }
     public String nextToken() {
         if(tokenizer.hasMoreTokens()){
             currentToken=tokenizer.nextToken();
         }else{
             currentToken=null;
         }
         return currentToken;
     }
     public String getCurrentToken(){
         return currentToken;
     }
     public void skipToken(String token) throws ParseException{
         if(!token.equals(currentToken)){
             throw new ParseException("错误！！！"+"期待"+currentToken+"但是却得到"+token);
         }
         nextToken();
     }
     public int currentNumber() throws ParseException{
         int num=0;
         try{
             num=Integer.parseInt(currentToken);
         }catch(NumberFormatException e){
             throw new ParseException(e.toString());
         }
         return num;
     }

 }

    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。

 package zyr.dp.text;

 import java.io.BufferedReader;
 import java.io.FileNotFoundException;
 import java.io.FileReader;
 import java.io.IOException;

 import zyr.dp.interpreter.*;

 public class Main {

     public static void main(String[] args) {

         try {
             BufferedReader  reader = new BufferedReader(new FileReader("program.txt"));
             String line=null;
             while((line=reader.readLine())!=null){
                 System.out.println("源程序为："+line);
                 System.out.println("自顶向下解析为：");
                 Node node=new ProgramNode();
                 node.parse(new Context(line));
                 System.out.println(node);
             }
         } catch (FileNotFoundException e) {
             e.printStackTrace();
         } catch (IOException e) {
             e.printStackTrace();
         } catch (ParseException e) {
             e.printStackTrace();
         }

     }

 }

 运行结果：

  源程序：

  在这里我专门写错了一个源程序：

 program end
 program go end
 program go right  go right  go right  go right  go right  go right  end
 program repeat 4 go right end end
 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。

  程序代码