Интерпретатор – паттерн поведения классов

Назначение

Для заданного языка определяет представление его грамматики, а также интерпретатор предложений этого языка

Interpreter: мотивация

Если некоторая задача возникает часто, то имеет смысл представить ее конкретные проявления в виде предложений на простом языке. Затем можно будет создать интерпретатор, который решает задачу, анализируя предложения этого языка. Например, поиск строк по образцу - весьма распространенная задача. Регулярные выражения - это стандартный язык для задания образцов поиска. Вместо того чтобы программировать специализированные алгоритмы для сопоставления строк с каждым образцом, не проще ли построить алгоритм поиска так, чтобы он мог интерпретировать регулярное выражение, описывающее множество строк-образцов? Паттерн интерпретатор определяет грамматику простого языка, представляет предложения на этом языке и интерпретирует их. Для приведенного примера паттерн описывает определение грамматики и интерпретации языка регулярных выражений.

Паттерн интерпретатор использует класс для представления каждого правила грамматики. Символы в правой части правила - это переменные экземпляров таких классов.

Рисунок 33

Каждое регулярное выражение, описываемое этой грамматикой, представляется в виде абстрактного синтаксического дерева, в узлах которого находятся экземпляры этих классов. Мы можем создать интерпретатор регулярных выражений, определив в каждом подклассе RegularExpression операцию Interpret, принимающую в качестве аргумента контекст, где нужно интерпретировать выражение. Контекст состоит из входной строки и информации о том, как далеко по ней мы уже продвинулись. В каждом подклассе RegularExpression операция Interpret производит сопоставление с оставшейся частью входной строки. Например:

LiteralExpression проверяет, соответствует ли входная строка литералу, который хранится в объекте подкласса;

AlternationExpression проверяет, соответствует ли строка одной из альтернатив;

RepetitionExpression проверяет, если в строке повторяющиеся вхождения выражения, совпадающего с тем, что хранится в объекте.

И так далее.

Interpreter: применимость

Используйте паттерн интерпретатор, когда есть язык для интерпретации, предложения которого можно представить в виде абстрактных синтаксических деревьев. Лучше всего этот паттерн работает, когда:

• Грамматика проста. Для сложных грамматик иерархия классов становится слишком громоздкой и неуправляемой. В таких случаях лучше применять генераторы синтаксических анализаторов, поскольку они могут интерпретировать выражения, не строя абстрактных синтаксических деревьев, что экономит память, а возможно, и время.

• Эффективность не является главным критерием. Наиболее эффективные интерпретаторы обычно не работают непосредственно с деревьями, а сначала транслируют их в другую форму. Так, регулярное выражение часто преобразуют в конечный автомат. Но даже в этом случае сам транслятор можно реализовать с помощью паттерна интерпретатор.

Interpreter: структура

Рисунок 34

Участники

• AbstractExpression (RegularExpression) - абстрактное выражение - объявляет абстрактную операцию Interpret, общую для всех узлов в абстрактном синтаксическом дереве;

• TerminalExpression (LiteralExpression) - терминальное выражение - реализует операцию Interpret для терминальных символов грамматики;
- необходим отдельный экземпляр для каждого терминального символа в предложении;

• NonterminaIExpression(AlternationExpression,RepetitionExpression, SequenceExpressions) - нетерминальное выражение - по одному такому классу требуется для каждого грамматического правила R :: = R_l R₂... R_п;
- хранит переменные экземпляра типа AbstractExpression для каждого символа от R_l до R_п;
- реализует операцию Interpret для нетерминальных символов грамматики.

• Context – контекст - содержит информацию, глобальную по отношению к интерпретатору;

• Client – клиент - строит (или получает в готовом виде) абстрактное синтаксическое дерево, представляющее отдельное предложение на языке с данной грамматикой. Дерево составлено из экземпляров классов Nonterminal-Expression и Terminal-Expression;
- вызывает операцию Interpret.

Отношения

Клиент строит (или получает в готовом виде) предложение в виде абстрактного синтаксического дерева, в узлах которого находятся объекты классов NonterminalExpression и Terminal-Expression. Затем клиент инициализирует контекст и вызывает операцию Interpret. В каждом узле вида NonterminalExpression через операции Interpret определяется операция Interpret для каждого подвыражения. Для класса TerminalExpression операция Interpret определяет базу рекурсии. Операции Interpret в каждом узле используют контекст для сохранения и доступа к состоянию интерпретатора.

Interpreter: особенности

• Грамматику легко изменять и расширять. Поскольку для представления грамматических правил в паттерне используются классы, то для изменения - или расширения грамматики можно применять наследование. Существующие выражения можно модифицировать постепенно, а новые определять как вариации старых.

• Простая реализация грамматики. Реализации классов, описывающих узлы абстрактного синтаксического дерева, похожи. Такие классы легко кодировать, а зачастую их может автоматически сгенерировать компилятор или генератор синтаксических анализаторов.

• Сложные грамматики трудно сопровождать. В паттерне интерпретатор определяется по меньшей мере один класс для каждого правила грамматики. Поэтому сопровождение грамматики с большим числом правил иногда оказывается трудной задачей. Для ее решения могут быть применены другие паттерны. Но если грамматика очень сложна, лучше прибегнуть к другим методам, например воспользоваться генератором компиляторов или синтаксических анализаторов.

• Добавление новых способов интерпретации выражений. Паттерн интерпретатор позволяет легко изменить способ вычисления выражений. Например, реализовать красивую печать выражения вместо проверки входящих в него типов можно, просто определив новую операцию в классах выражений. Если вам приходится часто создавать новые способы интерпретации выражений, подумайте о применении паттерна посетитель. Это поможет избежать изменения классов, описывающих грамматику.

Паттерн Iterator.