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72 | 解释器模式：如何设计实现一个自定义接口告警规则功能？

2020-04-17 王争
设计模式之美
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讲述：冯永吉

时长10:00大小9.17M

上一节课，我们学习了命令模式。命令模式将请求封装成对象，方便作为函数参数传递和赋值给变量。它主要的应用场景是给命令的执行附加功能，换句话说，就是控制命令的执行，比如，排队、异步、延迟执行命令、给命令执行记录日志、撤销重做命令等等。总体上来讲，命令模式的应用范围并不广。
今天，我们来学习解释器模式，它用来描述如何构建一个简单的“语言”解释器。比起命令模式，解释器模式更加小众，只在一些特定的领域会被用到，比如编译器、规则引擎、正则表达式。所以，解释器模式也不是我们学习的重点，你稍微了解一下就可以了。
话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！

解释器模式的原理和实现

解释器模式的英文翻译是 Interpreter Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中，它是这样定义的：
Interpreter pattern is used to defines a grammatical representation for a language and provides an interpreter to deal with this grammar.
翻译成中文就是：解释器模式为某个语言定义它的语法（或者叫文法）表示，并定义一个解释器用来处理这个语法。
看了定义，你估计会一头雾水，因为这里面有很多我们平时开发中很少接触的概念，比如“语言”“语法”“解释器”。实际上，这里的“语言”不仅仅指我们平时说的中、英、日、法等各种语言。从广义上来讲，只要是能承载信息的载体，我们都可以称之为“语言”，比如，古代的结绳记事、盲文、哑语、摩斯密码等。
要想了解“语言”表达的信息，我们就必须定义相应的语法规则。这样，书写者就可以根据语法规则来书写“句子”（专业点的叫法应该是“表达式”），阅读者根据语法规则来阅读“句子”，这样才能做到信息的正确传递。而我们要讲的解释器模式，其实就是用来实现根据语法规则解读“句子”的解释器。
为了让你更好地理解定义，我举一个比较贴近生活的例子来解释一下。
实际上，理解这个概念，我们可以类比中英文翻译。我们知道，把英文翻译成中文是有一定规则的。这个规则就是定义中的“语法”。我们开发一个类似 Google Translate 这样的翻译器，这个翻译器能够根据语法规则，将输入的中文翻译成英文。这里的翻译器就是解释器模式定义中的“解释器”。
刚刚翻译器这个例子比较贴近生活，现在，我们再举个更加贴近编程的例子。
假设我们定义了一个新的加减乘除计算“语言”，语法规则如下：
运算符只包含加、减、乘、除，并且没有优先级的概念；
表达式（也就是前面提到的“句子”）中，先书写数字，后书写运算符，空格隔开；
按照先后顺序，取出两个数字和一个运算符计算结果，结果重新放入数字的最头部位置，循环上述过程，直到只剩下一个数字，这个数字就是表达式最终的计算结果。
我们举个例子来解释一下上面的语法规则。
比如“ 8 3 2 4 - + * ”这样一个表达式，我们按照上面的语法规则来处理，取出数字“8 3”和“-”运算符，计算得到 5，于是表达式就变成了“ 5 2 4 + * ”。然后，我们再取出“ 5 2 ”和“ + ”运算符，计算得到 7，表达式就变成了“ 7 4 * ”。最后，我们取出“ 7 4”和“ * ”运算符，最终得到的结果就是 28。
看懂了上面的语法规则，我们将它用代码实现出来，如下所示。代码非常简单，用户按照上面的规则书写表达式，传递给 interpret() 函数，就可以得到最终的计算结果。
public class ExpressionInterpreter {
private Deque<Long> numbers = new LinkedList<>();
public long interpret(String expression) {
String[] elements = expression.split(" ");
int length = elements.length;
for (int i = 0; i < (length+1)/2; ++i) {
numbers.addLast(Long.parseLong(elements[i]));
}
for (int i = (length+1)/2; i < length; ++i) {
String operator = elements[i];
boolean isValid = "+".equals(operator) || "-".equals(operator)
|| "*".equals(operator) || "/".equals(operator);
if (!isValid) {
throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
}
long number1 = numbers.pollFirst();
long number2 = numbers.pollFirst();
long result = 0;
if (operator.equals("+")) {
result = number1 + number2;
} else if (operator.equals("-")) {
result = number1 - number2;
} else if (operator.equals("*")) {
result = number1 * number2;
} else if (operator.equals("/")) {
result = number1 / number2;
}
numbers.addFirst(result);
}
if (numbers.size() != 1) {
throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
}
return numbers.pop();
}
}
在上面的代码实现中，语法规则的解析逻辑（第 23、25、27、29 行）都集中在一个函数中，对于简单的语法规则的解析，这样的设计就足够了。但是，对于复杂的语法规则的解析，逻辑复杂，代码量多，所有的解析逻辑都耦合在一个函数中，这样显然是不合适的。这个时候，我们就要考虑拆分代码，将解析逻辑拆分到独立的小类中。
该怎么拆分呢？我们可以借助解释器模式。
解释器模式的代码实现比较灵活，没有固定的模板。我们前面也说过，应用设计模式主要是应对代码的复杂性，实际上，解释器模式也不例外。它的代码实现的核心思想，就是将语法解析的工作拆分到各个小类中，以此来避免大而全的解析类。一般的做法是，将语法规则拆分成一些小的独立的单元，然后对每个单元进行解析，最终合并为对整个语法规则的解析。
前面定义的语法规则有两类表达式，一类是数字，一类是运算符，运算符又包括加减乘除。利用解释器模式，我们把解析的工作拆分到 NumberExpression、AdditionExpression、SubstractionExpression、MultiplicationExpression、DivisionExpression 这样五个解析类中。
按照这个思路，我们对代码进行重构，重构之后的代码如下所示。当然，因为加减乘除表达式的解析比较简单，利用解释器模式的设计思路，看起来有点过度设计。不过呢，这里我主要是为了解释原理，你明白意思就好，不用过度细究这个例子。
public interface Expression {
long interpret();
}
public class NumberExpression implements Expression {
private long number;
public NumberExpression(long number) {
this.number = number;
}
public NumberExpression(String number) {
this.number = Long.parseLong(number);
}
@Override
public long interpret() {
return this.number;
}
}
public class AdditionExpression implements Expression {
private Expression exp1;
private Expression exp2;
public AdditionExpression(Expression exp1, Expression exp2) {
this.exp1 = exp1;
this.exp2 = exp2;
}
@Override
public long interpret() {
return exp1.interpret() + exp2.interpret();
}
}
// SubstractionExpression/MultiplicationExpression/DivisionExpression与AdditionExpression代码结构类似，这里就省略了
public class ExpressionInterpreter {
private Deque<Expression> numbers = new LinkedList<>();
public long interpret(String expression) {
String[] elements = expression.split(" ");
int length = elements.length;
for (int i = 0; i < (length+1)/2; ++i) {
numbers.addLast(new NumberExpression(elements[i]));
}
for (int i = (length+1)/2; i < length; ++i) {
String operator = elements[i];
boolean isValid = "+".equals(operator) || "-".equals(operator)
|| "*".equals(operator) || "/".equals(operator);
if (!isValid) {
throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
}
Expression exp1 = numbers.pollFirst();
Expression exp2 = numbers.pollFirst();
Expression combinedExp = null;
if (operator.equals("+")) {
combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
} else if (operator.equals("-")) {
combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
} else if (operator.equals("*")) {
combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
} else if (operator.equals("/")) {
combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
}
long result = combinedExp.interpret();
numbers.addFirst(new NumberExpression(result));
}
if (numbers.size() != 1) {
throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + expression);
}
return numbers.pop().interpret();
}
}

解释器模式实战举例

接下来，我们再来看一个更加接近实战的例子，也就是咱们今天标题中的问题：如何实现一个自定义接口告警规则功能？
在我们平时的项目开发中，监控系统非常重要，它可以时刻监控业务系统的运行情况，及时将异常报告给开发者。比如，如果每分钟接口出错数超过 100，监控系统就通过短信、微信、邮件等方式发送告警给开发者。
一般来讲，监控系统支持开发者自定义告警规则，比如我们可以用下面这样一个表达式，来表示一个告警规则，它表达的意思是：每分钟 API 总出错数超过 100 或者每分钟 API 总调用数超过 10000 就触发告警。
api_error_per_minute > 100 || api_count_per_minute > 10000
在监控系统中，告警模块只负责根据统计数据和告警规则，判断是否触发告警。至于每分钟 API 接口出错数、每分钟接口调用数等统计数据的计算，是由其他模块来负责的。其他模块将统计数据放到一个 Map 中（数据的格式如下所示），发送给告警模块。接下来，我们只关注告警模块。
Map<String, Long> apiStat = new HashMap<>();
apiStat.put("api_error_per_minute", 103);
apiStat.put("api_count_per_minute", 987);
为了简化讲解和代码实现，我们假设自定义的告警规则只包含“||、&&、>、<、==”这五个运算符，其中，“>、<、==”运算符的优先级高于“||、&&”运算符，“&&”运算符优先级高于“||”。在表达式中，任意元素之间需要通过空格来分隔。除此之外，用户可以自定义要监控的 key，比如前面的 api_error_per_minute、api_count_per_minute。
那如何实现上面的需求呢？我写了一个骨架代码，如下所示，其中的核心的实现我没有给出，你可以当作面试题，自己试着去补全一下，然后再看我的讲解。
public class AlertRuleInterpreter {
// key1 > 100 && key2 < 1000 || key3 == 200
public AlertRuleInterpreter(String ruleExpression) {
//TODO:由你来完善
}
//<String, Long> apiStat = new HashMap<>();
//apiStat.put("key1", 103);
//apiStat.put("key2", 987);
public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
//TODO:由你来完善
}
}
public class DemoTest {
public static void main(String[] args) {
String rule = "key1 > 100 && key2 < 30 || key3 < 100 || key4 == 88";
AlertRuleInterpreter interpreter = new AlertRuleInterpreter(rule);
Map<String, Long> stats = new HashMap<>();
stats.put("key1", 101l);
stats.put("key3", 121l);
stats.put("key4", 88l);
boolean alert = interpreter.interpret(stats);
System.out.println(alert);
}
}
实际上，我们可以把自定义的告警规则，看作一种特殊“语言”的语法规则。我们实现一个解释器，能够根据规则，针对用户输入的数据，判断是否触发告警。利用解释器模式，我们把解析表达式的逻辑拆分到各个小类中，避免大而复杂的大类的出现。按照这个实现思路，我把刚刚的代码补全，如下所示，你可以拿你写的代码跟我写的对比一下。
public interface Expression {
boolean interpret(Map<String, Long> stats);
}
public class GreaterExpression implements Expression {
private String key;
private long value;
public GreaterExpression(String strExpression) {
String[] elements = strExpression.trim().split("\\s+");
if (elements.length != 3 || !elements[1].trim().equals(">")) {
throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + strExpression);
}
this.key = elements[0].trim();
this.value = Long.parseLong(elements[2].trim());
}
public GreaterExpression(String key, long value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
@Override
public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
if (!stats.containsKey(key)) {
return false;
}
long statValue = stats.get(key);
return statValue > value;
}
}
// LessExpression/EqualExpression跟GreaterExpression代码类似，这里就省略了
public class AndExpression implements Expression {
private List<Expression> expressions = new ArrayList<>();
public AndExpression(String strAndExpression) {
String[] strExpressions = strAndExpression.split("&&");
for (String strExpr : strExpressions) {
if (strExpr.contains(">")) {
expressions.add(new GreaterExpression(strExpr));
} else if (strExpr.contains("<")) {
expressions.add(new LessExpression(strExpr));
} else if (strExpr.contains("==")) {
expressions.add(new EqualExpression(strExpr));
} else {
throw new RuntimeException("Expression is invalid: " + strAndExpression);
}
}
}
public AndExpression(List<Expression> expressions) {
this.expressions.addAll(expressions);
}
@Override
public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
for (Expression expr : expressions) {
if (!expr.interpret(stats)) {
return false;
}
}
return true;
}
}
public class OrExpression implements Expression {
private List<Expression> expressions = new ArrayList<>();
public OrExpression(String strOrExpression) {
String[] andExpressions = strOrExpression.split("\\|\\|");
for (String andExpr : andExpressions) {
expressions.add(new AndExpression(andExpr));
}
}
public OrExpression(List<Expression> expressions) {
this.expressions.addAll(expressions);
}
@Override
public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
for (Expression expr : expressions) {
if (expr.interpret(stats)) {
return true;
}
}
return false;
}
}
public class AlertRuleInterpreter {
private Expression expression;
public AlertRuleInterpreter(String ruleExpression) {
this.expression = new OrExpression(ruleExpression);
}
public boolean interpret(Map<String, Long> stats) {
return expression.interpret(stats);
}
}

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
解释器模式为某个语言定义它的语法（或者叫文法）表示，并定义一个解释器用来处理这个语法。实际上，这里的“语言”不仅仅指我们平时说的中、英、日、法等各种语言。从广义上来讲，只要是能承载信息的载体，我们都可以称之为“语言”，比如，古代的结绳记事、盲文、哑语、摩斯密码等。
要想了解“语言”要表达的信息，我们就必须定义相应的语法规则。这样，书写者就可以根据语法规则来书写“句子”（专业点的叫法应该是“表达式”），阅读者根据语法规则来阅读“句子”，这样才能做到信息的正确传递。而我们要讲的解释器模式，其实就是用来实现根据语法规则解读“句子”的解释器。
解释器模式的代码实现比较灵活，没有固定的模板。我们前面说过，应用设计模式主要是应对代码的复杂性，解释器模式也不例外。它的代码实现的核心思想，就是将语法解析的工作拆分到各个小类中，以此来避免大而全的解析类。一般的做法是，将语法规则拆分一些小的独立的单元，然后对每个单元进行解析，最终合并为对整个语法规则的解析。

课堂讨论

1. 在你过往的项目经历或阅读源码的时候，有没有用到或者见过解释器模式呢？
2. 在告警规则解析的例子中，如果我们要在表达式中支持括号“（）”，那如何对代码进行重构呢？你可以把它当作练习，试着编写一下代码。
欢迎留言和我分享你的想法。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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精选留言(14)

  • Ken张云忠
    2020-04-17
    Java中注解处理器做的就是解释的功能，以及前端编译时的语法分析、语义分析，后端编译时生成的中间表达式，用来触发更多优化，优化的处理可以理解为高效的解释，最终生成机器可以执行的汇编指令。
    2
    4
  • Panmax
    2020-04-18
    第二个代码示例中的代码段：
      if (operator.equals("+")) {
        combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
      } else if (operator.equals("-")) {
        combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
      } else if (operator.equals("*")) {
        combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
      } else if (operator.equals("/")) {
        combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
      }
    应改为：
      if (operator.equals("+")) {
        combinedExp = new AdditionExpression(exp1, exp2);
      } else if (operator.equals("-")) {
        combinedExp = new SubstractionExpression(exp1, exp2);
      } else if (operator.equals("*")) {
        combinedExp = new MultiplicationExpression(exp1, exp2);
      } else if (operator.equals("/")) {
        combinedExp = new DivisionExpression(exp1, exp2);
      }
    展开
    3
  • 辣么大
    2020-04-17
    关于问题一，使用过。偏向科研，自定义一门语言，然后通过语法解析器分析读入。
    例如使用RDDL(Relational Domain Definition Language)关系领域定义语言描述马尔可夫决策过程。
    domain prop_dbn {
          
        requirements = { reward-deterministic };
              
        pvariables {
            p : { state-fluent, bool, default = false };
            q : { state-fluent, bool, default = false };
            r : { state-fluent, bool, default = false };
            a : { action-fluent, bool, default = false };
        };
      
        cpfs {
            // Some standard Bernoulli conditional probability tables
            p' = if (p ^ r) then Bernoulli(.9) else Bernoulli(.3);
                            
            q' = if (q ^ r) then Bernoulli(.9)
                            else if (a) then Bernoulli(.3) else Bernoulli(.8);

            // KronDelta is like a DiracDelta, but for discrete data (boolean or int)
            r' = if (~q) then KronDelta(r) else KronDelta(r <=> q);                                        
        };
        
        // A boolean functions as a 0/1 integer when a numerical value is needed    
        reward = p + q - r; // a boolean functions as a 0/1 integer when a numerical value is needed
    }
            
    instance inst_dbn {

        domain = prop_dbn;    
        init-state {
            p = true; // could also just say 'p' by itself
            q = false; // default so unnecessary, could also say '~q' by itself
            r; // same as r = true
        };
      
        max-nondef-actions = 1;
        horizon = 20;
        discount = 0.9;
    }
    展开
    2
  • Yang
    2020-04-18
    因为做的是数据类型的项目，就是根据自定义的SQL来创建API以供可以通过http形式直接调用，项目中就是用Druid来解析SQL的，用的就是解释器模式，SQL语句中的每个字符对应一个表达式。
    1
    1
  • test
    2020-04-17
    加括号的话，要加一个ExpressionManager，在manager里面用括号把表达式划分为几段，再根据表达式间是 与 还是 或 来添加最上面那一层的表达式
    展开
    1
  • 南山
    2020-04-21
    还真有项目有这种场景，动态表单的值校验，可以自定义校验，校验之间还可以相互组合。但是用的是组合模式，后面思考一下解释器模式如何使用，貌似更适合~
    展开
  • makermade
    2020-04-19
    最近整好要做告警规则相关的开发，，，醍醐灌顶
    展开
  • + +
    2020-04-18
    告警规则的代码 真是读了半天才看懂😂
    展开
  • 李稳
    2020-04-17
    输入规则，解析规则，输入数据，使用规则判断数据
    展开
  • Heaven
    2020-04-17
    https://github.com/HeavenXin/MonitorExpressionTest
    关于第二道题,趁着中午写了写,大家可以参考一下
    展开
  • 唐朝农民
    2020-04-17
    请问怎么生成复杂一点的表达式树呢
    展开
    1
  • Heaven
    2020-04-17
    对于一个Java程序员来说,应该知道从Java语言解释为JVM规范语言,是需要进行解释器解析的,从词法解析器,解析出对应的类定义属性等,到语法解析器,解析成对应的语法树,再使用语义解析器,进行判断规范和解析语法糖
    1
  • 守拙
    2020-04-17
    解释器模式符合单一职责原则. 在例子中, 为">", "<", "="分别封装成独立函数, 避免了处理函数过长导致的可读性, 可维护性问题.

    解释器模式符合开闭原则. 在例子中, 如果要添加"(", ")"解析功能, 封装BracketExpression, AlertRuleInterpreter添加BracketExpression就能实现新的需求.
    展开
  • liu_liu
    2020-04-17
    react 中的 jsx
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