头图

设计模式学习22(Java实现)——解释器模式

康小庄

写在前面

  • 记录学习设计模式的笔记
  • 提高对设计模式的灵活运用

学习地址

https://www.bilibili.com/vide...

https://www.bilibili.com/vide...

参考文章

http://c.biancheng.net/view/1...

项目源码
https://gitee.com/zhuang-kang/DesignPattern

24,解释器模式

设计一个软件用来进行加减计算。我们第一想法就是使用工具类,提供对应的加法和减法的工具方法。

//用于两个整数相加
public static int add(int a,int b){
    return a + b;
}

//用于两个整数相加
public static int add(int a,int b,int c){
    return a + b + c;
}

//用于n个整数相加
public static int add(Integer ... arr) {
    int sum = 0;
    for (Integer i : arr) {
        sum += i;
    }
    return sum;
}

上面的形式比较单一、有限,如果形式变化非常多,这就不符合要求,因为加法和减法运算,两个运算符与数值可以有无限种组合方式。比如 1+2+3+4+5、1+2+3-4等等。

显然,现在需要一种翻译识别机器,能够解析由数字以及 + - 符号构成的合法的运算序列。如果把运算符和数字都看作节点的话,能够逐个节点的进行读取解析运算,这就是解释器模式的思维。

24.1 解释器模式的定义和特点

解释器(Interpreter)模式的定义:给分析对象定义一个语言,并定义该语言的文法表示,再设计一个解析器来解释语言中的句子。也就是说,用编译语言的方式来分析应用中的实例。这种模式实现了文法表达式处理的接口,该接口解释一个特定的上下文。

这里提到的文法和句子的概念同编译原理中的描述相同,“文法”指语言的语法规则,而“句子”是语言集中的元素。例如,汉语中的句子有很多,“我是中国人”是其中的一个句子,可以用一棵语法树来直观地描述语言中的句子。

image

解释器模式是一种类行为型模式,其主要优点如下。

  1. 扩展性好。由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则,因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。
  2. 容易实现。在语法树中的每个表达式节点类都是相似的,所以实现其文法较为容易。

解释器模式的主要缺点如下。

  1. 执行效率较低。解释器模式中通常使用大量的循环和递归调用,当要解释的句子较复杂时,其运行速度很慢,且代码的调试过程也比较麻烦。
  2. 会引起类膨胀。解释器模式中的每条规则至少需要定义一个类,当包含的文法规则很多时,类的个数将急剧增加,导致系统难以管理与维护。
  3. 可应用的场景比较少。在软件开发中,需要定义语言文法的应用实例非常少,所以这种模式很少被使用到。

24.2 解释器模式的结构与实现

24.2.1 解释器模式的结构

  • 抽象表达式(Abstract Expression)角色:定义解释器的接口,约定解释器的解释操作,主要包含解释方法 interpret()。
  • 终结符表达式(Terminal Expression)角色:是抽象表达式的子类,用来实现文法中与终结符相关的操作,文法中的每一个终结符都有一个具体终结表达式与之相对应。
  • 非终结符表达式(Nonterminal Expression)角色:也是抽象表达式的子类,用来实现文法中与非终结符相关的操作,文法中的每条规则都对应于一个非终结符表达式。
  • 环境(Context)角色:通常包含各个解释器需要的数据或是公共的功能,一般用来传递被所有解释器共享的数据,后面的解释器可以从这里获取这些值。
  • 客户端(Client):主要任务是将需要分析的句子或表达式转换成使用解释器对象描述的抽象语法树,然后调用解释器的解释方法,当然也可以通过环境角色间接访问解释器的解释方法。

24.2.2 代码实现

关系类图

image

AbstractExpression

package com.zhuang.interpreter;

/**
 * @Classname AbstractExpression
 * @Description 抽象角色
 * @Date 2021/3/31 9:45
 * @Created by dell
 */

public abstract class AbstractExpression {
    public abstract int interpret(Context context);
}

Value

package com.zhuang.interpreter;

/**
 * @Classname Value
 * @Description 终结符表达式角色
 * @Date 2021/3/31 9:48
 * @Created by dell
 */

public class Value extends AbstractExpression {

    private int value;

    public Value(int value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public int interpret(Context context) {
        return value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return new Integer(value).toString();
    }
}

Plus

package com.zhuang.interpreter;

/**
 * @Classname Plus
 * @Description 非终结符表达式角色 加法表达式
 * @Date 2021/3/31 9:46
 * @Created by dell
 */

public class Plus extends AbstractExpression {

    private AbstractExpression left;
    private AbstractExpression right;

    public Plus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public int interpret(Context context) {
        return left.interpret(context) + right.interpret(context);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " + " + right.toString() + ")";
    }
}

Minus

package com.zhuang.interpreter;

/**
 * @Classname Minus
 * @Description 非终结符表达式角色 减法表达式
 * @Date 2021/3/31 9:46
 * @Created by dell
 */

public class Minus extends AbstractExpression {
    private AbstractExpression left;
    private AbstractExpression right;

    public Minus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public int interpret(Context context) {
        return left.interpret(context) - right.interpret(context);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " - " + right.toString() + ")";
    }
}

Variable

package com.zhuang.interpreter;

/**
 * @Classname Variable
 * @Description 终结符表达式角色 变量表达式
 * @Date 2021/3/31 9:46
 * @Created by dell
 */

public class Variable extends AbstractExpression {

    private String name;

    public Variable(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public int interpret(Context context) {
        return context.getValue(this);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
}

Context

package com.zhuang.interpreter;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * @Classname Context
 * @Description 环境类
 * @Date 2021/3/31 9:46
 * @Created by dell
 */

public class Context {
    private Map<Variable, Integer> map = new HashMap<Variable, Integer>();

    public void assign(Variable var, Integer value) {
        map.put(var, value);
    }

    public int getValue(Variable var) {
        Integer value = map.get(var);
        return value;
    }
}

Client

package com.zhuang.interpreter;

/**
 * @Classname Client
 * @Description 解释权模式 测试类
 * @Date 2021/3/31 9:46
 * @Created by dell
 */

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();

        Variable a = new Variable("a");
        Variable b = new Variable("b");
        Variable c = new Variable("c");
        Variable d = new Variable("d");
        Variable e = new Variable("e");

        context.assign(a, 2);
        context.assign(b, 3);
        context.assign(c, 4);
        context.assign(d, 5);
        context.assign(e, 6);

        AbstractExpression expression = new Minus(new Plus(new Plus(new Plus(a, b), c), d), e);

        System.out.println(expression + "=" + expression.interpret(context));
    }
}

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24.3 解释器模式使用场景

  • 当语言的文法较为简单,且执行效率不是关键问题时。
  • 当问题重复出现,且可以用一种简单的语言来进行表达时。
  • 当一个语言需要解释执行,并且语言中的句子可以表示为一个抽象语法树的时候。

25,状态模式

25.1 状态模式的定义和特点

状态(State)模式的定义:对有状态的对象,把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中,允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。

状态模式是一种对象行为型模式,其主要优点如下。

  1. 结构清晰,状态模式将与特定状态相关的行为局部化到一个状态中,并且将不同状态的行为分割开来,满足“单一职责原则”。
  2. 将状态转换显示化,减少对象间的相互依赖。将不同的状态引入独立的对象中会使得状态转换变得更加明确,且减少对象间的相互依赖。
  3. 状态类职责明确,有利于程序的扩展。通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换。

状态模式的主要缺点如下。

  1. 状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。
  2. 状态模式的结构与实现都较为复杂,如果使用不当会导致程序结构和代码的混乱。
  3. 状态模式对开闭原则的支持并不太好,对于可以切换状态的状态模式,增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源码,否则无法切换到新增状态,而且修改某个状态类的行为也需要修改对应类的源码。

25.2 状态模式的结构与实现

【例】通过按钮来控制一个电梯的状态,一个电梯有开门状态,关门状态,停止状态,运行状态。每一种状态改变,都有可能要根据其他状态来更新处理。例如,如果电梯门现在处于运行时状态,就不能进行开门操作,而如果电梯门是停止状态,就可以执行开门操作

image

public interface ILift {
    //电梯的4个状态
    //开门状态
    public final static int OPENING_STATE = 1;
    //关门状态
    public final static int CLOSING_STATE = 2;
    //运行状态
    public final static int RUNNING_STATE = 3;
    //停止状态
    public final static int STOPPING_STATE = 4;

    //设置电梯的状态
    public void setState(int state);

    //电梯的动作
    public void open();
    public void close();
    public void run();
    public void stop();
}

public class Lift implements ILift {
    private int state;

    @Override
    public void setState(int state) {
        this.state = state;
    }

    //执行关门动作
    @Override
    public void close() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE:
                System.out.println("电梯关门了。。。");//只有开门状态可以关闭电梯门,可以对应电梯状态表来看
                this.setState(CLOSING_STATE);//关门之后电梯就是关闭状态了
                break;
            case CLOSING_STATE:
                //do nothing //已经是关门状态,不能关门
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing //运行时电梯门是关着的,不能关门
                break;
            case STOPPING_STATE:
                //do nothing //停止时电梯也是关着的,不能关门
                break;
        }
    }

    //执行开门动作
    @Override
    public void open() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE://门已经开了,不能再开门了
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE://关门状态,门打开:
                System.out.println("电梯门打开了。。。");
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 运行时电梯不能开门
                break;
            case STOPPING_STATE:
                System.out.println("电梯门开了。。。");//电梯停了,可以开门了
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
        }
    }

    //执行运行动作
    @Override
    public void run() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE://电梯不能开着门就走
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE://门关了,可以运行了
                System.out.println("电梯开始运行了。。。");
                this.setState(RUNNING_STATE);//现在是运行状态
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 已经是运行状态了
                break;
            case STOPPING_STATE:
                System.out.println("电梯开始运行了。。。");
                this.setState(RUNNING_STATE);
                break;
        }
    }

    //执行停止动作
    @Override
    public void stop() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: //开门的电梯已经是是停止的了(正常情况下)
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE://关门时才可以停止
                System.out.println("电梯停止了。。。");
                this.setState(STOPPING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE://运行时当然可以停止了
                System.out.println("电梯停止了。。。");
                this.setState(STOPPING_STATE);
                break;
            case STOPPING_STATE:
                //do nothing
                break;
        }
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Lift lift = new Lift();
        lift.setState(ILift.STOPPING_STATE);//电梯是停止的
        lift.open();//开门
        lift.close();//关门
        lift.run();//运行
        lift.stop();//停止
    }
}

image

问题分析

  • 使用了大量的switch…case这样的判断(if…else也是一样),使程序的可阅读性变差。
  • 扩展性很差。如果新加了断电的状态,我们需要修改上面判断逻辑

25.2.1 状态模式的结构

  • 环境(Context)角色:也称为上下文,它定义了客户程序需要的接口,维护一个当前状态,并将与状态相关的操作委托给当前状态对象来处理。
  • 抽象状态(State)角色:定义一个接口,用以封装环境对象中的特定状态所对应的行为。
  • 具体状态(Concrete State)角色:实现抽象状态所对应的行为。

25.2.2 代码实现

关系类图

image

LiftState

package com.zhuang.state.after;

/**
 * @Classname LiftState
 * @Description 抽象状态类
 * @Date 2021/3/31 10:50
 * @Created by dell
 */

public abstract class LiftState {
    //定义一个环境角色,也就是封装状态的变化引起的功能变化
    protected Context context;

    public void setContext(Context context) {
        this.context = context;
    }

    //电梯开门动作
    public abstract void open();

    //电梯关门动作
    public abstract void close();

    //电梯运行动作
    public abstract void run();

    //电梯停止动作
    public abstract void stop();
}

Context

package com.zhuang.state.after;

/**
 * @Classname Context
 * @Description 定义所有电梯门状态
 * @Date 2021/3/31 10:53
 * @Created by dell
 */

public class Context {
    //定义出所有的电梯状态
    //开门状态,这时候电梯只能关闭
    public final static OpeningState OPENNING_STATE = new OpeningState();
    //关闭状态,这时候电梯可以运行、停止和开门
    public final static ClosingState CLOSEING_STATE = new ClosingState();
    //运行状态,这时候电梯只能停止
    public final static RunningState RUNNING_STATE = new RunningState();
    //停止状态,这时候电梯可以开门、运行
    public final static StoppingState STOPPING_STATE = new StoppingState();


    //定义一个当前电梯状态
    private LiftState liftState;

    public LiftState getLiftState() {
        return this.liftState;
    }

    public void setLiftState(LiftState liftState) {
        //当前环境改变
        this.liftState = liftState;
        //把当前的环境通知到各个实现类中
        this.liftState.setContext(this);
    }

    public void open() {
        this.liftState.open();
    }

    public void close() {
        this.liftState.close();
    }

    public void run() {
        this.liftState.run();
    }

    public void stop() {
        this.liftState.stop();
    }
}

OpeningState

package com.zhuang.state.after;

/**
 * @Classname OpeningState
 * @Description 开启状态
 * @Date 2021/3/31 10:51
 * @Created by dell
 */

public class OpeningState extends LiftState {


    //开启当然可以关闭了,我就想测试一下电梯门开关功能
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯门开启...");
    }

    @Override
    public void close() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.CLOSEING_STATE);
        //动作委托为CloseState来执行,也就是委托给了ClosingState子类执行这个动作
        super.context.getLiftState().close();

    }

    //电梯门不能开着就跑,这里什么也不做
    @Override
    public void run() {
        //do nothing
    }

    //开门状态已经是停止的了
    @Override
    public void stop() {
        //do nothing
    }
}

ClosingState

package com.zhuang.state.after;

/**
 * @Classname ClosingState
 * @Description 关闭状态
 * @Date 2021/3/31 10:52
 * @Created by dell
 */

public class ClosingState extends LiftState {
    @Override
    //电梯门关闭,这是关闭状态要实现的动作
    public void close() {
        System.out.println("电梯门关闭...");
    }

    //电梯门关了再打开,逗你玩呢,那这个允许呀
    @Override
    public void open() {
        super.context.setLiftState(Context.OPENNING_STATE);
        super.context.open();
    }


    //电梯门关了就跑,这是再正常不过了
    @Override
    public void run() {
        super.context.setLiftState(Context.RUNNING_STATE);
        super.context.run();
    }

    //电梯门关着,我就不按楼层
    @Override
    public void stop() {
        super.context.setLiftState(Context.STOPPING_STATE);
        super.context.stop();
    }
}

RunningState

package com.zhuang.state.after;

/**
 * @Classname RunningState
 * @Description 运行状态
 * @Date 2021/3/31 10:52
 * @Created by dell
 */

public class RunningState extends LiftState {

    @Override
    public void open() {
        //什么也不做
    }

    @Override
    public void close() {
        //什么也不做
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯正在运行...");
    }

    @Override
    public void stop() {
        //停止
        super.context.setLiftState(Context.OPENNING_STATE);
        super.context.stop();
    }
}

StoppingState

package com.zhuang.state.after;

/**
 * @Classname StoppingState
 * @Description 停止状态
 * @Date 2021/3/31 10:51
 * @Created by dell
 */

public class StoppingState extends LiftState {

    @Override
    public void open() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.OPENNING_STATE);
        //动作委托给CloseState来执行 也就是委托给了ClosingState子类执行动作
        super.context.getLiftState().open();
    }

    @Override
    public void close() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.CLOSEING_STATE);
        //动作委托给CloseState来执行 也就是委托给了ClosingState子类执行动作
        super.context.getLiftState().close();
    }

    @Override
    public void run() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.RUNNING_STATE);
        //动作委托给CloseState来执行 也就是委托给了ClosingState子类执行动作
        super.context.getLiftState().run();
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("电梯停止了...");
    }
}

Client

package com.zhuang.state.after;

/**
 * @Classname Client
 * @Description 状态模式 测试类
 * @Date 2021/3/31 10:53
 * @Created by dell
 */

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //开门状态
        System.out.println("开门状态-->");
        Context context1 = new Context();
        context1.setLiftState(new OpeningState());
        context1.open();
        context1.close();
        context1.run();
        context1.stop();

        System.out.println("=========================");
        //关门状态
        System.out.println("关门状态-->");
        Context context2 = new Context();
        context2.setLiftState(new ClosingState());
        context2.open();
        context2.close();
        context2.run();
        context2.stop();

        System.out.println("=========================");
        //运行状态
        System.out.println("运行状态-->");
        Context context3 = new Context();
        context3.setLiftState(new RunningState());
        context3.open();
        context3.close();
        context3.run();
        context3.stop();

        System.out.println("=========================");
        //停止状态
        System.out.println("停止状态-->");
        Context context4 = new Context();
        context4.setLiftState(new StoppingState());
        context4.open();
        context4.close();
        context4.run();
        context4.stop();


    }
}

image

25.3 状态模式应用场景

  • 当一个对象的行为取决于它的状态,并且它必须在运行时根据状态改变它的行为时,就可以考虑使用状态模式。
  • 一个操作中含有庞大的分支结构,并且这些分支决定于对象的状态时。

写在最后

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