第27章　解釋器模式 27.1 四則運算你會嗎 在銀行、證券類項目中，經常會有一些模型運算，通過對現有數據的統計、分析而預測不可知或未來可能發生的商業行為。模型運算大部分是針對海量數據的，例如建立一個模型公式，分析一個城市的消費傾向，進而影響銀行的營銷和業務擴張方向。一般的模型運算都有一個或多個運算公式，通常是加、減、乘、除四則運算，偶爾也有指數、開方等復雜運算。具體到一個金融業務中，模型公式是非常復雜的，雖然只有加、減、乘、除四則運算，但是公式有可能有十多個參數，而且上百個業務品各有不同的取參路徑，同時相關表的數據量都在百萬級。呵呵，復雜了吧，不復雜那就不叫金融業務，我們來講講運算的核心——模型公式及其如何實現。 業務需求：輸入一個模型公式（加、減運算），然后輸入模型中的參數，運算出結果。 設計要求： ● 公式可以運行時編輯，并且符合正常算術書寫方式，例如a+b-c。 ● 高擴展性，未來增加指數、開方、極限、求導等運算符號時較少改動。 ● 效率可以不用考慮，晚間批量運算。 需求不復雜，若僅僅對數字采用四則運算，每個程序員都可以寫出來。但是增加了增加模型公式就復雜了。先解釋一下為什么需要公式，而不采用直接計算的方法，例如有如下3個公式： ● 業務種類1的公式：a+b+c-d。 ● 業務種類2的公式：a+b+e-d。 ● 業務種類3的公式：a-f。 其中，a、b、c、d、e、f參數的值都可以取得，如果使用直接計算數值的方法需要為每個品種寫一個算法，目前僅僅是3個業務種類，那上百個品種呢？歇菜了吧！建立公式，然后通過公式運算才是王道。 我們以實現加、減算法（由于篇幅所限，乘、除法的運算讀者可以自行擴展）的公式為例，講解如何解析一個固定語法邏輯。由于使用語法解析的場景比較少，而且一些商業公司（如SAS、SPSS等統計分析軟件）都支持類似的規則運算，親自編寫語法解析的工作已經非常少，以下例程采用逐步分析方法，帶領大家了解這一實現過程。 想想公式中有什么？僅有兩類元素：運算元素和運算符號，運算元素就是指a、b、c等符號，需要具體賦值的對象，也叫做終結符號，為什么叫終結符號呢？因為這些元素除了需要賦值外，不需要做任何處理，所有運算元素都對應一個具體的業務參數，這是語法中最小的單元邏輯，不可再拆分；運算符號就是加減符號，需要我們編寫算法進行處理，每個運算符號都要對應處理單元，否則公式無法運行，運算符號也叫做非終結符號。兩類元素的共同點是都要被解析，不同點是所有的運算元素具有相同的功能，可以用一個類表示，而運算符號則是需要分別進行解釋，加法需要加法解析器，減法需要減法解析器。分析到這里，我們就可以先畫一個簡單的類圖，如圖27-1所示。  圖27-1 初步分析加減法類圖 這是一個很簡單的類圖，VarExpression用來解析運算元素，各個公式能運算元素的數量是不同的，但每個運算元素都對應一個VarExpression對象。SybmolExpression負責解析符號，由兩個子類AddExpression（負責加法運算）和SubExpression（負責減法運算）來實現。解析的工作完成了，我們還需要把安排運行的先后順序（加減法不用考慮，但是乘除法呢？注意擴展性），并且還要返回結果，因此我們需要增加一個封裝類來進行封裝處理，由于我們只做運算，暫時還不與業務有關聯，定義為Calculator類。分析到這里，思路就比較清晰了，優化后加減法類圖如圖27-2所示。 Calculator的作用是封裝，根據迪米特法則，Client只與直接的朋友Calculator交流，與其他類沒關系。整個類圖的結構比較清晰，下面填充類圖中的方法，完整類圖如圖27-3所示。 類圖已經完成，下面來看代碼實現。Expression抽象類如代碼清單27-1所示。 代碼清單27-1 抽象表達式類 public?abstract?class?Expression?{ ?????//解析公式和數值，其中var中的key值是公式中的參數，value值是具體的數字 ?????public?abstract?int?interpreter(HashMap<String,Integer>?var); }  圖27-2 優化后加減法類圖  圖27-3 完整加減法類圖 抽象類非常簡單，僅一個方法interpreter負責對傳遞進來的參數和值進行解析和匹配，其中輸入參數為HashMap類型，key值為模型中的參數，如a、b、c等，value為運算時取得的具體數字。 變量解析器如代碼清單27-2所示。 代碼清單27-2 變量解析器 public?class?VarExpression?extends?Expression?{ ?????private?String?key;????? ?????public?VarExpression(String?_key){ ?????????????this.key?=?_key; ?????} ?????//從map中取之 ?????public?int?interpreter(HashMap<String,?Integer>?var)?{ ?????????????return?var.get(this.key); ?????} } 抽象運算符號解析器如代碼清單27-3所示。 代碼清單27-3 抽象運算符號解析器 public?abstract?class?SymbolExpression?extends?Expression?{ ?????protected?Expression?left; ?????protected?Expression?right;????? ?????//所有的解析公式都應只關心自己左右兩個表達式的結果 ?????public?SymbolExpression(Expression?_left,Expression?_right){ ?????????????this.left?=?_left; ?????????????this.right?=?_right; ?????} } 這個解析過程還是比較有意思的，每個運算符號都只和自己左右兩個數字有關系，但左右兩個數字有可能也是一個解析的結果，無論何種類型，都是Expression的實現類，于是在對運算符解析的子類中增加了一個構造函數，傳遞左右兩個表達式。具體的加、減法解析器如代碼清單27-4、代碼清單27-5所示。 代碼清單27-4 加法解析器 public?class?AddExpression?extends?SymbolExpression?{ ?????public?AddExpression(Expression?_left,Expression?_right){ ?????????????super(_left,_right); ?????} ?????//把左右兩個表達式運算的結果加起來 ?????public?int?interpreter(HashMap<String,?Integer>?var)?{ ?????????????return?super.left.interpreter(var)?+?super.right.interpreter(var); ?????} } 代碼清單27-5 減法解析器 public?class?SubExpression?extends?SymbolExpression?{ ?????public?SubExpression(Expression?_left,Expression?_right){ ?????????????super(_left,_right); ?????} ?????//左右兩個表達式相減 ?????public?int?interpreter(HashMap<String,?Integer>?var)?{ ?????????????return?super.left.interpreter(var)?-?super.right.interpreter(var); ?????} } 解析器的開發工作已經完成了，但是需求還沒有完全實現。我們還需要對解析器進行封裝，封裝類Calculator如代碼清單27-6所示。 代碼清單27-6 解析器封裝類 public?class?Calculator?{ ?????//定義表達式 ?????private?Expression?expression; ?????//構造函數傳參，并解析 ?????public?Calculator(String?expStr){ ?????????????//定義一個棧，安排運算的先后順序 ?????????????Stack<Expression>?stack?=?new?Stack<Expression>(); ?????????????//表達式拆分為字符數組 ?????????????char[]?charArray?=?expStr.toCharArray(); ?????????????//運算 ?????????????Expression?left?=?null; ?????????????Expression?right?=?null; ?????????????for(int?i=0;i<charArray.length;i++){ ?????????????????????switch(charArray[i])?????{ ?????????????????????case?'+':?//加法 ??????????????????????????//加法結果放到棧中 ??????????????????????????left?=?stack.pop(); ??????????????????????????right=new?VarExpression(String.valueOf(charArray[++i])); ??????????????????????????stack.push(new?AddExpression(left,right)); ??????????????????????????break; ?????????????????????case?'-': ??????????????????????????left?=?stack.pop(); ??????????????????????????right=new?VarExpression(String.valueOf(charArray[++i])); ??????????????????????????stack.push(new?SubExpression(left,right)); ??????????????????????????break; ?????????????????????default:??//公式中的變量??????????????? ??????????????????????????stack.push(new?VarExpression(String.valueOf(charArray[i]))); ?????????????????????} ?????????????}?????????? ????????????????//把運算結果拋出來 ????????????????this.expression?=?stack.pop(); ?????}????? ?????//開始運算 ?????public?int?run(HashMap<String,Integer>?var){ ????????????????return?this.expression.interpreter(var); ?????} } 方法比較長，我們來分析一下，Calculator構造函數接收一個表達式，然后把表達式轉化為char數組，并判斷運算符號，如果是“+”則進行加法運算，把左邊的數（left變量）和右邊的數（right變量）加起來就可以了，那左邊的數為什么是在棧中呢？例如這個公式：a+b-c，根據for循環，首先被壓入棧中的應該是有a元素生成的VarExpression對象，然后判斷到加號時，把a元素的對象VarExpression從棧中彈出，與右邊的數組b進行相加，b又是怎么得來的呢？當前的數組游標下移一個單元格即可，同時為了防止該元素再次被遍歷，則通過++i的方式跳過下一個遍歷——于是一個加法的運行結束。減法也采用相同的運行原理。 為了滿足業務要求，我們設置了一個Client類來模擬用戶情況，用戶要求可以擴展，可以修改公式，那就通過接收鍵盤事件來處理，Client類如代碼清單27-7所示。 代碼清單27-7 客戶模擬類 public?class?Client?{ ?????//運行四則運算 ?????public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException{ ??????????String?expStr?=?getExpStr(); ??????????//賦值 ??????????HashMap<String,Integer>?var?=?getValue(expStr); ??????????Calculator?cal?=?new?Calculator(expStr);?????????? ??????????System.out.println("運算結果為："+expStr?+"="+cal.run(var)); ?????} ?????//獲得表達式 ?????public?static?String?getExpStr()?throws?IOException{ ??????????System.out.print("請輸入表達式："); ??????????return?(new?BufferedReader(new?InputStreamReader(System.in))).readLine(); ?????}????? ?????//獲得值映射 ?????public?static?HashMap<String,Integer>?getValue(String?exprStr)?throws?IOException{ ??????????HashMap<String,Integer>?map?=?new?HashMap<String,Integer>(); ??????????//解析有幾個參數要傳遞 ??????????for(char?ch:exprStr.toCharArray()){ ???????????????if(ch?!=?'+'?&&?ch?!=?'-'){ ????????????????????//解決重復參數的問題 ????????????????????if(!map.containsKey(String.valueOf(ch))){ ?????????????????????????String?in?=?(new?BufferedReader(new?InputStreamReader?(System.in))).readLine(); ?????????????????????????map.put(String.valueOf(ch),Integer.valueOf(in)); ????????????????????} ???????????????} ??????????} ??????????return?map; ?????} } 其中，getExpStr是從鍵盤事件中獲得的表達式，getValue方法是從鍵盤事件中獲得表達式中的元素映射值，運行過程如下。 ● 首先，要求輸入公式。 請輸入表達式：a+b-c ● 其次，要求輸入公式中的參數。 請輸入a的值：100 請輸入b的值：20 請輸入c的值:40 ● 最后，運行出結果。 運算結果為：a+b-c=80 看，要求輸入一個公式，然后輸入參數，運行結果出來了！那我們是不是可以修改公式？當然可以，我們只要輸入公式，然后輸入相應的值就可以了，公式是在運行時定義的，而不是在運行前就制定好的，是不是類似于初中學過的“代數”這門課？先公式，然后賦值，運算出結果。 需求已經開發完畢，公式可以自由定義，只要符合規則（有變量有運算符合）就可以運算出結果；若需要擴展也非常容易，只要增加SymbolExpression的子類就可以了，這就是解釋器模式。