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Objective-C 中的解释器模式探索与实现

2021-05-211.5k 阅读

一、解释器模式简介

解释器模式（Interpreter Pattern）是一种行为型设计模式。在某些情况下，我们需要对特定的语言或语法进行解释和执行。例如，我们可能有自己定义的一套简单运算表达式语言，希望能够编写一个程序来解释并执行这些表达式。解释器模式就是用来解决这类问题的，它定义了一个解释器来解释一种特定的语言。

解释器模式主要包含以下几个角色：

  1. 抽象表达式（Abstract Expression）：定义一个抽象的解释操作，所有具体表达式类都必须实现这个接口。
  2. 终结符表达式（Terminal Expression）：实现与文法中的终结符相关联的解释操作。在表达式中，终结符是最小的不可再分的元素。
  3. 非终结符表达式（Non - Terminal Expression）：实现文法中非终结符的解释操作。非终结符通常由多个终结符或其他非终结符组成。
  4. 环境（Context）：包含解释器之外的一些全局信息，它为解释器提供上下文信息。

二、Objective - C 中的解释器模式基础结构

在 Objective - C 中实现解释器模式，我们同样需要遵循上述角色结构。首先，定义抽象表达式类：

#import <Foundation/Foundation.h>

// 抽象表达式类
@interface AbstractExpression : NSObject
- (NSInteger)interpret;
@end

（一）终结符表达式类

终结符表达式类继承自抽象表达式类，实现与终结符相关的解释操作。例如，我们假设终结符为简单的数字，其实现如下：

// 终结符表达式类（数字）
@interface TerminalExpression : AbstractExpression {
    NSInteger number;
}
- (instancetype)initWithNumber:(NSInteger)num;
@end

@implementation TerminalExpression
- (instancetype)initWithNumber:(NSInteger)num {
    self = [super init];
    if (self) {
        number = num;
    }
    return self;
}

- (NSInteger)interpret {
    return number;
}
@end

（二）非终结符表达式类

非终结符表达式类也继承自抽象表达式类，实现非终结符的解释操作。假设我们有一个简单的加法非终结符表达式：

// 非终结符表达式类（加法）
@interface NonTerminalExpression : AbstractExpression {
    AbstractExpression *left;
    AbstractExpression *right;
}
- (instancetype)initWithLeft:(AbstractExpression *)l right:(AbstractExpression *)r;
@end

@implementation NonTerminalExpression
- (instancetype)initWithLeft:(AbstractExpression *)l right:(AbstractExpression *)r {
    self = [super init];
    if (self) {
        left = l;
        right = r;
    }
    return self;
}

- (NSInteger)interpret {
    return [left interpret] + [right interpret];
}
@end

（三）环境类

环境类在 Objective - C 中可以简单地定义为一个包含全局信息的类。在这个简单的表达式解释示例中，环境类暂时没有特别的全局信息，但为了完整性，我们定义如下：

// 环境类
@interface Context : NSObject
@end

@implementation Context
@end

三、实际应用场景分析

（一）简单算术表达式解释

在实际编程中，简单算术表达式的解释是解释器模式的一个常见应用场景。比如我们要解释形如 “3 + 5” 这样的简单加法表达式。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Context *context = [[Context alloc] init];
        TerminalExpression *num1 = [[TerminalExpression alloc] initWithNumber:3];
        TerminalExpression *num2 = [[TerminalExpression alloc] initWithNumber:5];
        NonTerminalExpression *addExpression = [[NonTerminalExpression alloc] initWithLeft:num1 right:num2];
        NSInteger result = [addExpression interpret];
        NSLog(@"计算结果: %ld", (long)result);
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们首先创建了两个终结符表达式 num1 和 num2，分别代表数字 3 和 5。然后创建了一个非终结符表达式 addExpression，表示加法运算。最后通过调用 interpret 方法得到计算结果并输出。

（二）自定义配置语言解释

在一些应用开发中，我们可能需要自定义配置语言。例如，我们定义一种简单的配置语言来描述界面元素的位置和大小。假设配置语言的格式为 “x:100 y:200 width:300 height:400”，表示一个左上角坐标为 (100, 200)，宽为 300，高为 400 的矩形界面元素。 首先，定义抽象表达式类：

#import <Foundation/Foundation.h>

// 抽象表达式类
@interface ConfigAbstractExpression : NSObject
- (void)interpretWithContext:(NSDictionary *)context;
@end

1. 终结符表达式类

终结符表达式类处理配置语言中的单个属性，例如 “x:100” 中的 “x” 和 “100”。

// 终结符表达式类（属性名）
@interface ConfigTerminalExpression : ConfigAbstractExpression {
    NSString *propertyName;
}
- (instancetype)initWithPropertyName:(NSString *)name;
@end

@implementation ConfigTerminalExpression
- (instancetype)initWithPropertyName:(NSString *)name {
    self = [super init];
    if (self) {
        propertyName = name;
    }
    return self;
}

- (void)interpretWithContext:(NSDictionary *)context {
    NSLog(@"属性名: %@", propertyName);
}
@end

// 终结符表达式类（属性值）
@interface ConfigValueTerminalExpression : ConfigAbstractExpression {
    NSString *propertyValue;
}
- (instancetype)initWithPropertyValue:(NSString *)value;
@end

@implementation ConfigValueTerminalExpression
- (instancetype)initWithPropertyValue:(NSString *)value {
    self = [super init];
    if (self) {
        propertyValue = value;
    }
    return self;
}

- (void)interpretWithContext:(NSDictionary *)context {
    NSLog(@"属性值: %@", propertyValue);
}
@end

2. 非终结符表达式类

非终结符表达式类处理多个属性之间的关系，例如 “x:100 y:200” 中的 “x” 和 “y” 的组合。

// 非终结符表达式类（属性组合）
@interface ConfigNonTerminalExpression : ConfigAbstractExpression {
    NSMutableArray<ConfigAbstractExpression *> *expressions;
}
- (instancetype)init;
- (void)addExpression:(ConfigAbstractExpression *)expression;
@end

@implementation ConfigNonTerminalExpression
- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        expressions = [NSMutableArray array];
    }
    return self;
}

- (void)addExpression:(ConfigAbstractExpression *)expression {
    [expressions addObject:expression];
}

- (void)interpretWithContext:(NSDictionary *)context {
    for (ConfigAbstractExpression *expression in expressions) {
        [expression interpretWithContext:context];
    }
}
@end

3. 环境类

环境类可以用来存储整个配置信息的上下文。

// 环境类
@interface ConfigContext : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSMutableDictionary *configDict;
@end

@implementation ConfigContext
- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        _configDict = [NSMutableDictionary dictionary];
    }
    return self;
}
@end

4. 解析与执行

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ConfigContext *context = [[ConfigContext alloc] init];
        ConfigNonTerminalExpression *configExpression = [[ConfigNonTerminalExpression alloc] init];

        ConfigTerminalExpression *xProperty = [[ConfigTerminalExpression alloc] initWithPropertyName:@"x"];
        ConfigValueTerminalExpression *xValue = [[ConfigValueTerminalExpression alloc] initWithPropertyValue:@"100"];
        [configExpression addExpression:xProperty];
        [configExpression addExpression:xValue];

        ConfigTerminalExpression *yProperty = [[ConfigTerminalExpression alloc] initWithPropertyName:@"y"];
        ConfigValueTerminalExpression *yValue = [[ConfigValueTerminalExpression alloc] initWithPropertyValue:@"200"];
        [configExpression addExpression:yProperty];
        [configExpression addExpression:yValue];

        [configExpression interpretWithContext:context.configDict];
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们通过创建不同的终结符和非终结符表达式，构建了对自定义配置语言的解释器。通过 interpretWithContext 方法，在给定的上下文中解释并处理配置信息。

四、解释器模式在 Objective - C 框架中的潜在应用

（一）Core Data 中的谓词解析

Core Data 是 iOS 和 macOS 开发中用于数据持久化的框架。其中的谓词（NSPredicate）用于筛选和过滤数据。谓词的语法类似于一种小型的查询语言，例如 “name == 'John' AND age > 30”。虽然 Core Data 已经提供了完整的谓词解析和执行功能，但从原理上看，它类似于解释器模式。 我们可以想象，如果要自定义一个类似 Core Data 谓词解析的功能，可以使用解释器模式。首先定义抽象表达式类：

#import <Foundation/Foundation.h>

// 抽象表达式类
@interface PredicateAbstractExpression : NSObject
- (BOOL)interpretWithObject:(NSObject *)object;
@end

1. 终结符表达式类

终结符表达式类可以处理单个条件，例如 “name == 'John'” 中的 “name” 和 “'John'”。

// 终结符表达式类（属性名）
@interface PredicateTerminalExpression : PredicateAbstractExpression {
    NSString *propertyName;
}
- (instancetype)initWithPropertyName:(NSString *)name;
@end

@implementation PredicateTerminalExpression
- (instancetype)initWithPropertyName:(NSString *)name {
    self = [super init];
    if (self) {
        propertyName = name;
    }
    return self;
}

- (BOOL)interpretWithObject:(NSObject *)object {
    // 这里简单返回 YES 示例，实际需要根据对象属性判断
    return YES;
}
@end

// 终结符表达式类（属性值）
@interface PredicateValueTerminalExpression : PredicateAbstractExpression {
    id propertyValue;
}
- (instancetype)initWithPropertyValue:(id)value;
@end

@implementation PredicateValueTerminalExpression
- (instancetype)initWithPropertyValue:(id)value {
    self = [super init];
    if (self) {
        propertyValue = value;
    }
    return self;
}

- (BOOL)interpretWithObject:(NSObject *)object {
    // 这里简单返回 YES 示例，实际需要根据对象属性值判断
    return YES;
}
@end

2. 非终结符表达式类

非终结符表达式类处理多个条件之间的逻辑关系，例如 “AND” 和 “OR”。

// 非终结符表达式类（逻辑与）
@interface PredicateAndNonTerminalExpression : PredicateAbstractExpression {
    PredicateAbstractExpression *left;
    PredicateAbstractExpression *right;
}
- (instancetype)initWithLeft:(PredicateAbstractExpression *)l right:(PredicateAbstractExpression *)r;
@end

@implementation PredicateAndNonTerminalExpression
- (instancetype)initWithLeft:(PredicateAbstractExpression *)l right:(PredicateAbstractExpression *)r {
    self = [super init];
    if (self) {
        left = l;
        right = r;
    }
    return self;
}

- (BOOL)interpretWithObject:(NSObject *)object {
    return [left interpretWithObject:object] && [right interpretWithObject:object];
}
@end

// 非终结符表达式类（逻辑或）
@interface PredicateOrNonTerminalExpression : PredicateAbstractExpression {
    PredicateAbstractExpression *left;
    PredicateAbstractExpression *right;
}
- (instancetype)initWithLeft:(PredicateAbstractExpression *)l right:(PredicateAbstractExpression *)r;
@end

@implementation PredicateOrNonTerminalExpression
- (instancetype)initWithLeft:(PredicateAbstractExpression *)l right:(PredicateAbstractExpression *)r {
    self = [super init];
    if (self) {
        left = l;
        right = r;
    }
    return self;
}

- (BOOL)interpretWithObject:(NSObject *)object {
    return [left interpretWithObject:object] || [right interpretWithObject:object];
}
@end

3. 环境类

在这个场景下，环境类可以是包含要筛选数据的上下文。

// 环境类
@interface PredicateContext : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSArray *objects;
@end

@implementation PredicateContext
- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        _objects = [NSArray array];
    }
    return self;
}
@end

（二）UI 布局约束解析

在 iOS 开发中，UI 布局约束可以看作是一种描述视图之间位置和大小关系的语言。例如，“view1.left = view2.right + 10” 表示 view1 的左边距等于 view2 的右边距加上 10 个点。 我们可以使用解释器模式来解析和处理这些布局约束。定义抽象表达式类：

#import <UIKit/UIKit.h>

// 抽象表达式类
@interface LayoutAbstractExpression : NSObject
- (NSLayoutConstraint *)interpretWithViews:(NSDictionary<NSString *, UIView *> *)views;
@end

1. 终结符表达式类

终结符表达式类处理单个视图和数值，例如 “view1” 和 “10”。

// 终结符表达式类（视图）
@interface LayoutViewTerminalExpression : LayoutAbstractExpression {
    NSString *viewName;
}
- (instancetype)initWithViewName:(NSString *)name;
@end

@implementation LayoutViewTerminalExpression
- (instancetype)initWithViewName:(NSString *)name {
    self = [super init];
    if (self) {
        viewName = name;
    }
    return self;
}

- (NSLayoutConstraint *)interpretWithViews:(NSDictionary<NSString *, UIView *> *)views {
    UIView *view = views[viewName];
    // 这里简单返回 nil 示例，实际需要根据视图创建约束
    return nil;
}
@end

// 终结符表达式类（数值）
@interface LayoutValueTerminalExpression : LayoutAbstractExpression {
    CGFloat value;
}
- (instancetype)initWithValue:(CGFloat)val;
@end

@implementation LayoutValueTerminalExpression
- (instancetype)initWithValue:(CGFloat)val {
    self = [super init];
    if (self) {
        value = val;
    }
    return self;
}

- (NSLayoutConstraint *)interpretWithViews:(NSDictionary<NSString *, UIView *> *)views {
    // 这里简单返回 nil 示例，实际需要根据数值创建约束
    return nil;
}
@end

2. 非终结符表达式类

非终结符表达式类处理视图之间的关系，例如 “view1.left = view2.right + 10” 中的 “left”、“right” 和 “+”。

// 非终结符表达式类（布局关系）
@interface LayoutRelationNonTerminalExpression : LayoutAbstractExpression {
    LayoutAbstractExpression *left;
    LayoutAbstractExpression *right;
    NSString *relation;
}
- (instancetype)initWithLeft:(LayoutAbstractExpression *)l right:(LayoutAbstractExpression *)r relation:(NSString *)rel;
@end

@implementation LayoutRelationNonTerminalExpression
- (instancetype)initWithLeft:(LayoutAbstractExpression *)l right:(LayoutAbstractExpression *)r relation:(NSString *)rel {
    self = [super init];
    if (self) {
        left = l;
        right = r;
        relation = rel;
    }
    return self;
}

- (NSLayoutConstraint *)interpretWithViews:(NSDictionary<NSString *, UIView *> *)views {
    // 这里简单返回 nil 示例，实际需要根据关系创建约束
    return nil;
}
@end

3. 环境类

环境类包含所有参与布局的视图。

// 环境类
@interface LayoutContext : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSMutableDictionary<NSString *, UIView *> *views;
@end

@implementation LayoutContext
- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        _views = [NSMutableDictionary dictionary];
    }
    return self;
}
@end

五、实现解释器模式的注意事项

（一）文法复杂性与性能

随着文法的复杂性增加，解释器模式的类数量会迅速增多。例如，在一个复杂的算术表达式解释器中，如果支持多种运算符（加、减、乘、除、括号等），每个运算符都可能需要一个非终结符表达式类。这会导致代码量大幅增加，维护难度增大。同时，由于解释器模式通常采用递归的方式进行解释，对于复杂的表达式，性能可能会受到影响。在实际应用中，需要权衡文法的复杂性和性能之间的关系。如果性能要求较高，可以考虑对解释器进行优化，例如使用缓存来存储已经解释过的子表达式的结果。

（二）错误处理

在解释过程中，可能会遇到各种错误，例如语法错误、语义错误等。在 Objective - C 实现中，需要合理地处理这些错误。可以在抽象表达式类中定义一个错误处理的方法，具体表达式类在解释过程中遇到错误时调用该方法。例如：

#import <Foundation/Foundation.h>

// 抽象表达式类
@interface ErrorHandlingAbstractExpression : NSObject
- (NSInteger)interpret;
- (void)handleError:(NSString *)errorMessage;
@end

@implementation ErrorHandlingAbstractExpression
- (void)handleError:(NSString *)errorMessage {
    NSLog(@"错误: %@", errorMessage);
}
@end

在终结符和非终结符表达式类中，如果遇到错误，例如在解析数字终结符时遇到非数字字符，可以调用 handleError 方法进行错误处理。

（三）与其他设计模式的结合

解释器模式可以与其他设计模式结合使用，以更好地满足需求。例如，可以与工厂模式结合，在创建表达式对象时，通过工厂类根据不同的文法规则创建相应的终结符和非终结符表达式对象。这样可以提高代码的可维护性和可扩展性。另外，也可以与策略模式结合，对于不同类型的解释需求，定义不同的解释策略，通过策略模式进行切换和管理。

通过以上对 Objective - C 中解释器模式的探索与实现，我们可以看到解释器模式在处理特定语言解释和执行方面的强大能力，同时也了解到在实际应用中需要注意的各种问题，以便更好地运用这一设计模式。