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第27章 解释器模式 27.1 四则运算你会吗 在银行、证券类项目中,经常会有一些模型运算,通过对现有数据的统计、分析而预测不可知或未来可能发生的商业行为。模型运算大部分是针对海量数据的,例如建立一个模型公式,分析一个城市的消费倾向,进而影响银行的营销和业务扩张方向。一般的模型运算都有一个或多个运算公式,通常是加、减、乘、除四则运算,偶尔也有指数、开方等复杂运算。具体到一个金融业务中,模型公式是非常复杂的,虽然只有加、减、乘、除四则运算,但是公式有可能有十多个参数,而且上百个业务品各有不同的取参路径,同时相关表的数据量都在百万级。呵呵,复杂了吧,不复杂那就不叫金融业务,我们来讲讲运算的核心——模型公式及其如何实现。 业务需求:输入一个模型公式(加、减运算),然后输入模型中的参数,运算出结果。 设计要求: ● 公式可以运行时编辑,并且符合正常算术书写方式,例如a+b-c。 ● 高扩展性,未来增加指数、开方、极限、求导等运算符号时较少改动。 ● 效率可以不用考虑,晚间批量运算。 需求不复杂,若仅仅对数字采用四则运算,每个程序员都可以写出来。但是增加了增加模型公式就复杂了。先解释一下为什么需要公式,而不采用直接计算的方法,例如有如下3个公式: ● 业务种类1的公式:a+b+c-d。 ● 业务种类2的公式:a+b+e-d。 ● 业务种类3的公式:a-f。 其中,a、b、c、d、e、f参数的值都可以取得,如果使用直接计算数值的方法需要为每个品种写一个算法,目前仅仅是3个业务种类,那上百个品种呢?歇菜了吧!建立公式,然后通过公式运算才是王道。 我们以实现加、减算法(由于篇幅所限,乘、除法的运算读者可以自行扩展)的公式为例,讲解如何解析一个固定语法逻辑。由于使用语法解析的场景比较少,而且一些商业公司(如SAS、SPSS等统计分析软件)都支持类似的规则运算,亲自编写语法解析的工作已经非常少,以下例程采用逐步分析方法,带领大家了解这一实现过程。 想想公式中有什么?仅有两类元素:运算元素和运算符号,运算元素就是指a、b、c等符号,需要具体赋值的对象,也叫做终结符号,为什么叫终结符号呢?因为这些元素除了需要赋值外,不需要做任何处理,所有运算元素都对应一个具体的业务参数,这是语法中最小的单元逻辑,不可再拆分;运算符号就是加减符号,需要我们编写算法进行处理,每个运算符号都要对应处理单元,否则公式无法运行,运算符号也叫做非终结符号。两类元素的共同点是都要被解析,不同点是所有的运算元素具有相同的功能,可以用一个类表示,而运算符号则是需要分别进行解释,加法需要加法解析器,减法需要减法解析器。分析到这里,我们就可以先画一个简单的类图,如图27-1所示。 ![](https://box.kancloud.cn/2016-08-14_57b0036b7a39b.jpg) 图27-1 初步分析加减法类图 这是一个很简单的类图,VarExpression用来解析运算元素,各个公式能运算元素的数量是不同的,但每个运算元素都对应一个VarExpression对象。SybmolExpression负责解析符号,由两个子类AddExpression(负责加法运算)和SubExpression(负责减法运算)来实现。解析的工作完成了,我们还需要把安排运行的先后顺序(加减法不用考虑,但是乘除法呢?注意扩展性),并且还要返回结果,因此我们需要增加一个封装类来进行封装处理,由于我们只做运算,暂时还不与业务有关联,定义为Calculator类。分析到这里,思路就比较清晰了,优化后加减法类图如图27-2所示。 Calculator的作用是封装,根据迪米特法则,Client只与直接的朋友Calculator交流,与其他类没关系。整个类图的结构比较清晰,下面填充类图中的方法,完整类图如图27-3所示。 类图已经完成,下面来看代码实现。Expression抽象类如代码清单27-1所示。 代码清单27-1 抽象表达式类 public abstract class Expression {      //解析公式和数值,其中var中的key值是公式中的参数,value值是具体的数字      public abstract int interpreter(HashMap<String,Integer> var); } ![](https://box.kancloud.cn/2016-08-14_57b0036b8f58f.jpg) 图27-2 优化后加减法类图 ![](https://box.kancloud.cn/2016-08-14_57b0036ba65e0.jpg) 图27-3 完整加减法类图 抽象类非常简单,仅一个方法interpreter负责对传递进来的参数和值进行解析和匹配,其中输入参数为HashMap类型,key值为模型中的参数,如a、b、c等,value为运算时取得的具体数字。 变量解析器如代码清单27-2所示。 代码清单27-2 变量解析器 public class VarExpression extends Expression {      private String key;           public VarExpression(String _key){              this.key = _key;      }      //从map中取之      public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {              return var.get(this.key);      } } 抽象运算符号解析器如代码清单27-3所示。 代码清单27-3 抽象运算符号解析器 public abstract class SymbolExpression extends Expression {      protected Expression left;      protected Expression right;           //所有的解析公式都应只关心自己左右两个表达式的结果      public SymbolExpression(Expression _left,Expression _right){              this.left = _left;              this.right = _right;      } } 这个解析过程还是比较有意思的,每个运算符号都只和自己左右两个数字有关系,但左右两个数字有可能也是一个解析的结果,无论何种类型,都是Expression的实现类,于是在对运算符解析的子类中增加了一个构造函数,传递左右两个表达式。具体的加、减法解析器如代码清单27-4、代码清单27-5所示。 代码清单27-4 加法解析器 public class AddExpression extends SymbolExpression {      public AddExpression(Expression _left,Expression _right){              super(_left,_right);      }      //把左右两个表达式运算的结果加起来      public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {              return super.left.interpreter(var) + super.right.interpreter(var);      } } 代码清单27-5 减法解析器 public class SubExpression extends SymbolExpression {      public SubExpression(Expression _left,Expression _right){              super(_left,_right);      }      //左右两个表达式相减      public int interpreter(HashMap<String, Integer> var) {              return super.left.interpreter(var) - super.right.interpreter(var);      } } 解析器的开发工作已经完成了,但是需求还没有完全实现。我们还需要对解析器进行封装,封装类Calculator如代码清单27-6所示。 代码清单27-6 解析器封装类 public class Calculator {      //定义表达式      private Expression expression;      //构造函数传参,并解析      public Calculator(String expStr){              //定义一个栈,安排运算的先后顺序              Stack<Expression> stack = new Stack<Expression>();              //表达式拆分为字符数组              char[] charArray = expStr.toCharArray();              //运算              Expression left = null;              Expression right = null;              for(int i=0;i<charArray.length;i++){                      switch(charArray[i])     {                      case '+': //加法                           //加法结果放到栈中                           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:  //公式中的变量                                          stack.push(new VarExpression(String.valueOf(charArray[i])));                      }              }                           //把运算结果抛出来                 this.expression = stack.pop();      }           //开始运算      public int run(HashMap<String,Integer> var){                 return this.expression.interpreter(var);      } } 方法比较长,我们来分析一下,Calculator构造函数接收一个表达式,然后把表达式转化为char数组,并判断运算符号,如果是“+”则进行加法运算,把左边的数(left变量)和右边的数(right变量)加起来就可以了,那左边的数为什么是在栈中呢?例如这个公式:a+b-c,根据for循环,首先被压入栈中的应该是有a元素生成的VarExpression对象,然后判断到加号时,把a元素的对象VarExpression从栈中弹出,与右边的数组b进行相加,b又是怎么得来的呢?当前的数组游标下移一个单元格即可,同时为了防止该元素再次被遍历,则通过++i的方式跳过下一个遍历——于是一个加法的运行结束。减法也采用相同的运行原理。 为了满足业务要求,我们设置了一个Client类来模拟用户情况,用户要求可以扩展,可以修改公式,那就通过接收键盘事件来处理,Client类如代码清单27-7所示。 代码清单27-7 客户模拟类 public class Client {      //运行四则运算      public static void main(String[] args) throws IOException{           String expStr = getExpStr();           //赋值           HashMap<String,Integer> var = getValue(expStr);           Calculator cal = new Calculator(expStr);                     System.out.println("运算结果为:"+expStr +"="+cal.run(var));      }      //获得表达式      public static String getExpStr() throws IOException{           System.out.print("请输入表达式:");           return (new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))).readLine();      }           //获得值映射      public static HashMap<String,Integer> getValue(String exprStr) throws IOException{           HashMap<String,Integer> map = new HashMap<String,Integer>();           //解析有几个参数要传递           for(char ch:exprStr.toCharArray()){                if(ch != '+' && ch != '-'){                     //解决重复参数的问题                     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是从键盘事件中获得的表达式,getValue方法是从键盘事件中获得表达式中的元素映射值,运行过程如下。 ● 首先,要求输入公式。 请输入表达式:a+b-c ● 其次,要求输入公式中的参数。 请输入a的值:100 请输入b的值:20 请输入c的值:40 ● 最后,运行出结果。 运算结果为:a+b-c=80 看,要求输入一个公式,然后输入参数,运行结果出来了!那我们是不是可以修改公式?当然可以,我们只要输入公式,然后输入相应的值就可以了,公式是在运行时定义的,而不是在运行前就制定好的,是不是类似于初中学过的“代数”这门课?先公式,然后赋值,运算出结果。 需求已经开发完毕,公式可以自由定义,只要符合规则(有变量有运算符合)就可以运算出结果;若需要扩展也非常容易,只要增加SymbolExpression的子类就可以了,这就是解释器模式。