實踐GoF的23種設(shè)計模式：解釋器模式

簡介

解釋器模式（Interpreter Pattern）應(yīng)該是 GoF 的 23 種設(shè)計模式中使用頻率最少的一種了，它的應(yīng)用場景較為局限。

GoF 對它的定義如下：

Given a language, define a represention for its grammar along with an interpreter that uses the representation to interpret sentences in the language.

從定義可以看出，解釋器模式主要運用于簡單的語法解析場景，比如簡單的領(lǐng)域特定語言（DSL）。舉個例子，我們可以使用解析器模式來對“1+2+3-4+1”這樣的文本表達(dá)式完成解析，并得到最終答案“3”。

解釋器模式的整體思想是分而治之，每一個語法規(guī)則都使用一個類或者結(jié)構(gòu)體（我們稱之為 Rule Struct）來定義，它們相互獨立，比如前一個例子中，“+” 和 “-” 都各自定義為一個 Rule Struct。因此，解釋器模式的可擴(kuò)展性很好。

通常，我們還能使用抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，AST）來直觀地表示待解釋的表達(dá)式，比如“1+2+3-4+1”可以表示成這樣：

UML 結(jié)構(gòu)

解釋器模式通常有 4 種角色：

Context：解釋上下文，包含了解釋語法需要的所有信息，它是的生命周期貫穿整個解釋過程，是一個全局對象。

AbstractExpression：聲明了解釋語法的方法，通常只有Interpret(*Context)一個方法。

TerminalExpression：實現(xiàn)了 AbstractExpression 接口，定義了終結(jié)表達(dá)式的解析邏輯。終結(jié)表達(dá)式在抽象語法樹中作為葉子節(jié)點。

NonterminalExpression：實現(xiàn)了 AbstractExpression 接口，定義了非終結(jié)表達(dá)式的解析邏輯。在抽象語法樹中，除了葉子節(jié)點，其他節(jié)點都是非終結(jié)表達(dá)式。NonterminalExpression 通常會比 TerminalExpression 更復(fù)雜一些。

場景上下文

在簡單的分布式應(yīng)用系統(tǒng)（示例代碼工程）中，db 模塊用來存儲服務(wù)注冊信息和系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，它是一個 key-value 數(shù)據(jù)庫。為了更高的易用性，它支持簡單的 SQL 查詢功能。用戶在終端控制臺上可以通過 SQL 語句來查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)：

簡單起見，我們實現(xiàn)的 SQL 固定為select xxx,xxx,xxx from xxx where xxx=xxx;的形式，為此，我們要實現(xiàn) 3 個 TerminalExpression，即SelectExpression、FromExpression和WhereExpression，分別解釋 select 語句、from 語句、where 語句；以及 1 個 NonterminalExpression，即CompoundExpression，用來解釋整個 SQL 語句。

代碼實現(xiàn)

//demo/db/sql.go
packagedb

//關(guān)鍵點1：定義Context結(jié)構(gòu)體/類，這里是SqlContext，里面存放解析過程所需的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，以及結(jié)果數(shù)據(jù)
//SqlContextSQL解析器上下文，保存各個表達(dá)式解析的中間結(jié)果
//當(dāng)前只支持基于主鍵的查詢SQL語句
typeSqlContextstruct{
tableNamestring
fields[]string
primaryKeyinterface{}
}

...

//關(guān)鍵點2：定義AbstractExpression接口，這里是SqlExpression，其中Interpret方法以Context作為入?yún)?//SqlExpressionSql表達(dá)式抽象接口，每個詞、符號和句子都屬于表達(dá)式
typeSqlExpressioninterface{
Interpret(ctx*SqlContext)error
}

//關(guān)鍵點3：定義TerminalExpression，實現(xiàn)AbstractExpression接口，這里是SelectExpression、FromExpression和WhereExpression
//SelectExpressionselect語句解析邏輯，select關(guān)鍵字后面跟的為field，以,分割，比如selectId,name
typeSelectExpressionstruct{
fieldsstring
}

func(s*SelectExpression)Interpret(ctx*SqlContext)error{
fields:=strings.Split(s.fields,",")
iflen(fields)==0{
returnErrSqlInvalidGrammar
}
//關(guān)鍵點4：在解析過程中將狀態(tài)或者結(jié)果數(shù)據(jù)存儲到Context里面
ctx.SetFields(fields)
returnnil
}

//FromExpressionfrom語句解析邏輯，from關(guān)鍵字后面跟的為表名，比如fromregionTable1
typeFromExpressionstruct{
tableNamestring
}

func(f*FromExpression)Interpret(ctx*SqlContext)error{
iff.tableName==""{
returnErrSqlInvalidGrammar
}
ctx.SetTableName(f.tableName)
returnnil
}

//WhereExpressionwhere語句解析邏輯，where關(guān)鍵字后面跟的是主鍵過濾條件，比如whereid='1'
typeWhereExpressionstruct{
conditionstring
}

func(w*WhereExpression)Interpret(ctx*SqlContext)error{
vals:=strings.Split(w.condition,"=")
iflen(vals)!=2{
returnErrSqlInvalidGrammar
}
ifstrings.Contains(vals[1],"'"){
ctx.SetPrimaryKey(strings.Trim(vals[1],"'"))
returnnil
}
ifval,err:=strconv.Atoi(vals[1]);err==nil{
ctx.SetPrimaryKey(val)
returnnil
}
returnErrSqlInvalidGrammar
}

//關(guān)鍵點5：實現(xiàn)NonterminalExpression，這里是CompoundExpression，它在解釋過程中會引用到TerminalExpression，可以將TerminalExpression作為成員變量，也可以在Interpret方法中直接創(chuàng)建新對象。
//CompoundExpressionSQL語句解釋器，SQL固定為selectxxx,xxx,xxxfromxxxwherexxx=xxx;的固定格式
//例子：selectregionIdfromregionTablewhereregionId=1
typeCompoundExpressionstruct{
sqlstring
}

func(c*CompoundExpression)Interpret(ctx*SqlContext)error{
childs:=strings.Split(c.sql,"")
iflen(childs)!=6{
returnErrSqlInvalidGrammar
}
//關(guān)鍵點6：在NonterminalExpression的Interpret方法中，調(diào)用TerminalExpression的Interpret方法完成對語句的解釋。
fori:=0;i

	

	客戶端這么使用：

	
//demo/db/memory_db.go
packagedb

//memoryDb內(nèi)存數(shù)據(jù)庫
typememoryDbstruct{
tablessync.Map//key為tableName，value為table
}

...

func(m*memoryDb)ExecSql(sqlstring)(*SqlResult,error){
ctx:=NewSqlContext()
express:=&CompoundExpression{sql:sql}
iferr:=express.Interpret(ctx);err!=nil{
returnnil,ErrSqlInvalidGrammar
}
//關(guān)鍵點7：解釋成功后，從Context中獲取解釋結(jié)果信息
table,ok:=m.tables.Load(ctx.TableName())
if!ok{
returnnil,ErrTableNotExist
}
record,ok:=table.(*Table).records[ctx.PrimaryKey()]
if!ok{
returnnil,ErrRecordNotFound
}
result:=NewSqlResult()
for_,f:=rangectx.Fields(){
field:=strings.ToLower(f)
ifidx,ok:=table.(*Table).metadata[field];ok{
result.Add(field,record.values[idx])
}
}
returnresult,nil
}


	

	總結(jié)實現(xiàn)解釋器模式的幾個關(guān)鍵點：

	定義 Context 結(jié)構(gòu)體/類，這里是SqlContext，里面存放解釋過程所需的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，也會存儲解釋結(jié)果。

	定義 AbstractExpression 接口，這里是SqlExpression，其中Interpret方法以 Context 作為入?yún)ⅰ?/p>

	定義 TerminalExpression 結(jié)構(gòu)體，并實現(xiàn) AbstractExpression 接口，這里是SelectExpression、FromExpression和WhereExpression。

	將Interpret方法解釋過程中產(chǎn)生的過程狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲在 Context 上，使得其他 Expression 在解釋過程中能夠訪問。

	實現(xiàn) NonterminalExpression，這里是CompoundExpression，它在解釋過程中會引用到 TerminalExpression，可以把 TerminalExpression 作為成員變量，也可以在 Interpret 方法中直接創(chuàng)建新對象。

	在 NonterminalExpression 的 Interpret 方法中，調(diào)用 TerminalExpression 的 Interpret 方法完成對語句的解釋。這里是CompoundExpression.Interpret調(diào)用SelectExpression.Interpret、FromExpression.Interpret和WhereExpression.Interpret完成對 SQL 的解釋。

	解釋成功后，從 Context 中獲取解釋結(jié)果。

	擴(kuò)展

	領(lǐng)域特定語言 DSL

	在前文介紹解釋器模式時有提到，它常用于對領(lǐng)域特定語言 DSL 的解釋場景，那么什么是 DSL 呢？下面我們將簡單介紹一下。

	維基百科對 DSL 的定義如下：

	Adomain-specific language(DSL) is a computer language specialized to a particular application domain.

	可見，DSL 是針對特定領(lǐng)域的一種計算機語言，與之相對的是 GPL，General Purpose Language，即通用編程語言。我們常用的 C/C++，Java，Go 等都屬于 GPL 的范疇。

	DSL 又可細(xì)分成 2 類：

	External DSL：此類 DSL 擁有獨立的語法以及解釋器，比如 CSS 用于定義 Web 網(wǎng)頁的樣式和布局、SQL 用于數(shù)據(jù)查詢、XML 和 YAML 用于配置管理，它們都是典型的 External DSL。

	
#ExternalDSL舉例，SQL
selectid,namefromregionswhereid=‘1’;


	

	Internal DSL：此類 DSL 構(gòu)建與 GPL 之上，比如流式接口 fluent interface、單元測試中的 Mock 庫，它們可以提升 GPL 的易用性和易理解性。

	
//InternalDSL，Java中的Mockito庫
Mockito.when(mockDemo.isTrue()).thenReturn(1);


	

	Martin Fowler 大神專門寫了一本書《領(lǐng)域特定語言》來介紹 DSL，更多詳細(xì)、專業(yè)的知識請移步這里。

	典型應(yīng)用場景

	簡單的語法解析。解釋器模式的運用場景較為單一，主要運用于簡單的語法解析場景，比如簡單的領(lǐng)域特定語言（DSL）。

	優(yōu)缺點

	優(yōu)點

	易于擴(kuò)展。前文提到，使用解釋器模式進(jìn)行語法解釋時，每種語法規(guī)則都會有對應(yīng)的 Expression 結(jié)構(gòu)體/類。因此，新增一種語法規(guī)則會非常的容易；類似地，改變一種已有的語法規(guī)則的解釋方式也是很容易，單點改動即可。

	缺點

	不適用于復(fù)雜的語法解釋。當(dāng)語法過于復(fù)雜時，Expression 結(jié)構(gòu)體/類的數(shù)量將會變得很多，從而難以維護(hù)。

	與其他模式的關(guān)聯(lián)

	解釋器模式通常與組合模式（Composite Pattern）結(jié)合在一起使用，UML 結(jié)構(gòu)圖中的 NonterminalExpression 和 AbstractExpression 的就是組合關(guān)系。

	另外，解釋器模式這種分而治之的方法，與狀態(tài)模式（State Pattern）中每種狀態(tài)處理各種的邏輯很是類似。

	


	審核編輯：劉清