掌握设计模式--解释器模式

姘轻拎 · 2025-6-3 10:44:40

解释器模式（Interpreter Pattern）

解释器模式（Interpreter Pattern）是一种行为型设计模式，用于定义一种语言的文法表示，并提供一个解释器来解释该语言中的句子。这种模式通常用于开发需要解析、解释和执行特定语言或表达式的应用程序。
主要目的是为特定类型的问题定义一种语言，然后用该语言的解释器来解决问题。
主要组成部分

解释器模式的结构通常包括以下几个部分：

抽象表达式（AbstractExpression） ：定义解释操作的接口。
终结符表达式（TerminalExpression） ：表示语言中的基本元素，如数字或变量。
非终结符表达式（NonTerminalExpression）：表示更复杂的语法规则，通过组合终结符表达式和其他非终结符表达式实现。
上下文（Context）：存储解释器在解析表达式时需要的全局信息，比如变量值或共享数据。
客户端（Client）：构建（或从外部获取）需要解析的表达式，并使用解释器处理表达式。

区分终结符和非终结符主要看它是不是最终的输出，是不是不可再分的组成部分。
案例实现

设计一个动态查询SQL 的解析器，查询SQL模板 + 输入的参数 动态的生成所需要的查询SQL 。
本案例的主要功能：

支持占位符替换：如 #{key} 替换为参数值。
支持动态条件解析：如标签根据条件决定是否生成部分 SQL。
支持集合操作：如动态生成 IN 子句。
使用解释器模式解析查询SQL 模板，分离模板的不同语义块。

案例类图

类图简述

上下文 (Context) ：存储输入参数，供解释器在解析时访问。
抽象表达式 (SQLExpression) ：表示 SQL 模板中的一个语义块，定义 interpret 方法解析该块，参数为Context输入参数。
终结符表达式

文本表达式(TextExpression)：不可再分的文本部分（如静态 SQL 片段）；
占位符表达式 (PlaceholderExpression)：解析并替换 #{key}。

非终结符表达式

条件组表达式(ConditionalGroupExpression)：解析标签中的一组条件；
条件表达式 (IfExpression)：解析标签中的动态 SQL；
集合表达式 (ForEachExpression)：解析动态生成 SQL；
复合表达式(CompositeExpression)：将多个表达式组合成一个整体。

上下文

存储动态 SQL 的参数，供解释器在解析时访问。

public class Context {
private Map<String, Object> parameters;
public Context(Map<String, Object> parameters) {
this.parameters = parameters;
}
public Object getParameter(String key) {
return parameters.get(key);
}
}

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抽象表达式

表示 SQL 模板中的一个语义块，定义 interpret 方法解析该块。

public interface SQLExpression {
String interpret(Context context);
}

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终结符表达式

文本表达式(TextExpression)：不可再分的文本部分（如静态 SQL 片段）；
占位符表达式 (PlaceholderExpression)：解析并替换 #{key}。

// 终结符表达式：文本片段
public class TextExpression implements SQLExpression {
private String text;
public TextExpression(String text) {
this.text = text;
}
@Override
public String interpret(Context context) {
return text;
}
}
// 终结符表达式：占位符替换
class PlaceholderExpression implements SQLExpression {
private String text;
public PlaceholderExpression(String text) {
this.text = text;
}
@Override
public String interpret(Context context) {
// 替换 #{key} 为参数值
Pattern pattern = Pattern.compile("#\\{(\\w+)}");
Matcher matcher = pattern.matcher(text);
StringBuffer result = new StringBuffer();
while (matcher.find()) {
String key = matcher.group(1);
Object value = context.getParameter(key);
if (value == null) {
throw new RuntimeException("参数 " + key + " 未提供");
}
String replacement = (value instanceof String) ? "'" + value + "'" : value.toString();
matcher.appendReplacement(result, replacement);
}
matcher.appendTail(result);
return result.toString();
}
}

复制代码

非终结符表达式

条件组表达式(ConditionalGroupExpression)：解析标签中的一组条件；
条件表达式 (IfExpression)：解析标签中的动态 SQL；
集合表达式 (ForEachExpression)：解析动态生成 SQL；
复合表达式(CompositeExpression)：将多个表达式组合成一个整体。

// 非终结符表达式：条件组，自动管理 WHERE/AND/OR
public class ConditionalGroupExpression implements SQLExpression {
private List<SQLExpression> conditions = new ArrayList<>();
public void addCondition(SQLExpression condition) {
conditions.add(condition);
}
@Override
public String interpret(Context context) {
StringBuilder result = new StringBuilder();
int validConditions = 0;
for (SQLExpression condition : conditions) {
String conditionResult = condition.interpret(context).trim();
if (!conditionResult.isEmpty()) {
// 对首个有效条件去掉前缀
if (validConditions == 0) {
if (conditionResult.toUpperCase().startsWith("AND ")) {
conditionResult = conditionResult.substring(4);
} else if (conditionResult.toUpperCase().startsWith("OR ")) {
conditionResult = conditionResult.substring(3);
}
} else {
// 非首条件，确保没有多余的空格或重复逻辑
if (!conditionResult.toUpperCase().startsWith("AND") && !conditionResult.toUpperCase().startsWith("OR")) {
result.append(" AND ");
} else {
result.append(" ");
}
}
result.append(conditionResult);
validConditions++;
}
}
return validConditions > 0 ? "WHERE " + result.toString().trim() : "";
}
}
// 非终结符表达式：条件
class IfExpression implements SQLExpression {
private String condition;
private SQLExpression innerExpression;
public IfExpression(String condition, SQLExpression innerExpression) {
this.condition = condition;
this.innerExpression = innerExpression;
}
@Override
public String interpret(Context context) {
// 解析条件，支持 key != null 和 key == value 等
if (evaluateCondition(condition, context)) {
return innerExpression.interpret(context);
}
return ""; // 条件不满足时返回空字符串
}
// 解析条件语法
private boolean evaluateCondition(String condition, Context context) {
// 简单支持 key != null 和 key == value 的逻辑
if (condition.contains("!=")) {
String[] parts = condition.split("!=");
String key = parts[0].trim();
Object value = context.getParameter(key);
return value != null; // 判断 key 是否存在
} else if (condition.contains("==")) {
String[] parts = condition.split("==");
String key = parts[0].trim();
String expectedValue = parts[1].trim().replace("'", ""); // 移除单引号
Object actualValue = context.getParameter(key);
return expectedValue.equals(actualValue != null ? actualValue.toString() : null);
}
throw new RuntimeException("不支持的条件: " + condition);
}
}
// 非终结符表达式：集合操作
class ForEachExpression implements SQLExpression {
private String itemName;
private String collectionKey;
private String open;
private String separator;
private String close;
public ForEachExpression(String itemName, String collectionKey, String open, String separator, String close) {
this.itemName = itemName;
this.collectionKey = collectionKey;
this.open = open;
this.separator = separator;
this.close = close;
}
@Override
public String interpret(Context context) {
Object collection = context.getParameter(collectionKey);
if (!(collection instanceof Collection)) {
throw new RuntimeException("参数 " + collectionKey + " 必须是集合");
}
Collection<?> items = (Collection<?>) collection;
StringJoiner joiner = new StringJoiner(separator, open, close);
for (Object item : items) {
joiner.add(item instanceof String ? "'" + item + "'" : item.toString());
}
return joiner.toString();
}
}
// 复合表达式：将多个表达式组合成一个整体
class CompositeExpression implements SQLExpression {
private List<SQLExpression> expressions = new ArrayList<>();
public CompositeExpression(SQLExpression... expressions) {
this.expressions.addAll(Arrays.asList(expressions));
}
@Override
public String interpret(Context context) {
StringBuilder result = new StringBuilder();
for (SQLExpression expression : expressions) {
result.append(expression.interpret(context));
}
return result.toString();
}
}

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测试客户端

两条动态查询SQL的生成测试

public class DynamicSQLInterpreterDemo {
public static void main(String[] args) {
// 动态 SQL 模板
List<SQLExpression> expressions = new ArrayList<>();
expressions.add(new TextExpression("SELECT * FROM t_users"));
// WHERE 条件组
ConditionalGroupExpression whereGroup = new ConditionalGroupExpression();
whereGroup.addCondition(new IfExpression("id != null", new PlaceholderExpression("and id = #{id}")));
whereGroup.addCondition(new IfExpression("name != null", new PlaceholderExpression("OR name = #{name}")));
whereGroup.addCondition(new IfExpression("ids != null && !ids.isEmpty()", new CompositeExpression(
new TextExpression("AND id IN "),
new ForEachExpression("id", "ids", "(", ",", ")")
)));
expressions.add(whereGroup);
// 测试参数
Map<String, Object> parameters1 = new HashMap<>();
parameters1.put("id", 1);
parameters1.put("name", "Alice");
parameters1.put("ids", Arrays.asList(1, 2, 3));
Map<String, Object> parameters2 = new HashMap<>();
parameters2.put("ids", Arrays.asList(1, 2, 3));
// 输出最终 SQL
System.out.println("测试 1:");
generateSQL(expressions, parameters1);
System.out.println("测试 2:");
generateSQL(expressions, parameters2);
}
private static void generateSQL(List<SQLExpression> expressions, Map<String, Object> parameters) {
Context context = new Context(parameters);
StringBuilder parsedSQL = new StringBuilder();
for (SQLExpression expression : expressions) {
String result = expression.interpret(context).trim();
if (!result.isEmpty()) {
parsedSQL.append(" ").append(result);
}
}
System.out.println(parsedSQL.toString().trim());
}
}

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运行结果

测试 1:
SELECT * FROM t_users WHERE id = 1 OR name = 'Alice' AND id IN (1,2,3)
测试 2:
SELECT * FROM t_users WHERE id IN (1,2,3)

复制代码

该案例简单实现了动态查询SQL的生成。List expressions 变量在动态SQL表达式只执行两次add()操作，第一次是SELECT * FROM t_user，第二次是where条件语句，然后再根据参数值替换占位符来实现动态SQL的生成。
所有的表达式都可以独立进行扩展调整而不相互影响（灵活性、扩展性）。比如、新增分组查询、查询结果排序等表达式，以及原有表达式的不断优化调整。
也可以，将动态SQL模版改为xml文档进行SQL配置化。解析过程变为：先经过xml文档解析，根据请求参数再进行动态SQL解释，从而灵活生成SQL。这看起来有点MyBatis的味道。
解释器模式的应用

Hibernate：使用 ORM 技术，通过对象关系映射来执行查询；
MyBatis：通过映射器和 XML 配置来处理动态 SQL；
两者都使用了解释器模式来处理查询的解析。
优缺点和适用场景

优点

扩展性好：可以轻松地添加新的表达式解析规则。
直观性强：语言的规则和实现代码一一对应，清晰明了。
适用于领域特定语言：非常适合解决领域特定问题。

缺点

复杂性增加：对于复杂的语法规则，类的数量会迅速增加，导致维护成本高。
性能问题：解释器模式效率较低，特别是在需要解析大量复杂表达式时。

适用场景

解释器模式适合在以下情况下使用：

特定语法或规则：需要为某个特定领域设计一个语言或表达式处理工具。
重复问题：问题可以通过一组标准规则或语法重复解决。
可扩展性需求：希望能够轻松添加新规则或表达式。

常见示例：

计算器程序（解析数学表达式）。
SQL解析器。
编译器中的语法解析器。
简单的脚本解释器。

总结

解释器模式适合用于实现轻量级的解析器或简单的领域特定语言，但在面对复杂语法或高性能需求的场景时，可能需要其他更高效的解析工具（如正则表达式、ANTLR等）。
解释器模式提供了一种创建领域特定语言（DSL）的方法。

需要查看往期设计模式文章的，可以在个人主页中或者文章开头的集合中查看，可关注我，持续更新中。。。
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