[Java]算术表达式求值之二（中序表达式转后序表达式方案，支持小数）

时间：2023-12-17 08:03:31

Inlet类，入口类，这个类的主要用途是验证用户输入的算术表达式：

package com.hy;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;

// 此类用于把算术表达式送入解析器
public class Inlet {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        // 取得用户输入的表达式
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        String rawExpression = null;
        System.out.print("请输入算术表达式:");
        rawExpression = br.readLine(); 

        // 得到合法的算术表达式
        String expression="";
        for(int i=0;i<rawExpression.length();i++){
            // 拿到表达式的每个字符
            char c=rawExpression.charAt(i);
            //System.out.print(c+","); 

            if(Character.isDigit(c) || c=='+' || c=='-' || c=='*' || c=='/' || c=='(' || c==')' || c=='.'){
                //System.out.print(c);
                expression+=c;
            }else{
                System.out.print(" "+c+"不是合法的算术表达式字符.");
                System.exit(0);
            }
        }

        // 送去解析
        Lexer p=new Lexer(expression);
        //p.print();

        // 转为后序表达式
        Trans t=new Trans(p.getList());
        //t.print();

        // 计算结果
        Calculator c=new Calculator(t.getPostfixList());
        System.out.print(expression+"="+c.getResult());
    }
}

Lexer类，主要起一个词法分析器的作用，注意这里采用正则表达式简化了代码，比https://www.cnblogs.com/xiandedanteng/p/11445994.html 中Parser类的处理方式简洁些：

package com.hy;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;

// 此类用于将算术表达式解析成包含操作数和操作符的链表,扮演分词器的角色
public class Lexer {
    private List<String> list;// 用于存储表达式的链表

    public List<String> getList() {
        return list;
    }

    public Lexer(String expression){
        list=new ArrayList<String>();

        // 使用正则表达式后，代码简洁多了
        String regExp = "(\\d+(\\.*)\\d*)|(\\+)|(\\-)|(\\*)|(\\/)|(\\()|(\\))";

        Pattern pattern=Pattern.compile(regExp);
        Matcher matcher=pattern.matcher(expression);
        while(matcher.find()){
            list.add(matcher.group(0));
        }
    }

    public void print(){
        for(String str:list){
            System.out.println(str);
        }
    }
}

Trans类 将中序表达式转后序表达式的转换类，他接收来自Parser的包含操作符和操作数的列表，然后根据规则将算术表达式转化成后序表达式，利用的数据结构是栈java.util.Statck,转化的规则如下：

见到操作数->直接送到postfixList中
见到操作符->将栈顶输出,直到栈顶优先级小于该操作符,最后把该操作符压入栈
见到左括号 ->入栈
见到右括号 ->将栈中在左括号之后的操作符全部输出
（以上'栈'在代码中指的是Trans类的成员变量Stack）：

package com.hy;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Stack;

// 此类用于将中序表达式转译成后序表达式
public class Trans {
    private Stack<String> stack;// 用于存储操作符的栈
    private List<String> postfixList;// 用于存储后序表达式的链表

    public List<String> getPostfixList() {
        return postfixList;
    }

    public Trans(List<String> list){
        stack=new Stack<String>();
        postfixList=new ArrayList<String>();

        for(String str:list){
            // 这个分支是当前项是操作符号的情况
            if(str.equals("+") || str.equals("-") || str.equals("*") || str.equals("/") || str.equals("(") || str.equals(")")  ){
                String opThis=str;

                if(stack.size()==0){
                    // 如果栈为空，直接把操作符推入栈
                    stack.push(opThis);
                }else if(str.equals("(")){
                    // 如果操作符是左括号，直接推入栈
                    stack.push(opThis);
                }else if(str.equals(")")){
                    // 如果操作符是右括号，则往前找左括号，将左括号之后的操作符放到后续表达式列表中

                    while(stack.peek().equals("(")==false){ // stack.peek()是取栈顶元素而不弹出
                        postfixList.add(stack.pop());
                    }

                    stack.pop();// 左括号丢弃，由此完成了去括号的过程
                }else{
                    // 看栈顶元素，如果它优先级大于等于当前操作符的优先级，则弹出放到后续表达式列表中
                    while( stack.size()>0 && (getOpLevel(stack.peek())>=getOpLevel(opThis)) ){
                        postfixList.add(stack.pop());
                    }

                    stack.push(opThis);// 当前操作符入栈
                }

            }else{
                // 这个分支是当前项是操作数的情况
                postfixList.add(str);// 操作数直接入栈
            }
        }

        // 将栈中余下的操作符弹出放到后续表达式列表中
        while(stack.size()>0){
            String opTop=stack.pop();
            postfixList.add(opTop);
        }
    }

    // 取得操作符的等级
    private int getOpLevel(String op){
        if(op.equals("+") || op.equals("-") ){
            return 0;
        }else if(op.equals("*") || op.equals("/") ){
            return 1;
        }

        return -1;
    }

    public void print(){
        for(String str:postfixList){
            System.out.print(str);
        }
    }
}

Calculator类 计算后续表达式运算结果类，它接受经过Trans类处理的postfixList，又采用了栈进行辅助，计算结果方式是见到操作数先入栈，见到操作符则从栈中弹出两个操作数进行运算，得到结果后再入栈，执行完毕后弹出栈的顶项（必是最后一项）即是算术表达式的最终结果：：

package com.hy;

import java.util.List;
import java.util.Stack;

// 此类用于计算后续表达式的值
public class Calculator {
    private Stack<String> stack;

    public Calculator(List<String> list){
        stack=new Stack<String>();

        for(String str:list){
            // 这个分支是当前项是操作符号的情况
            if(str.equals("+") || str.equals("-") || str.equals("*") || str.equals("/") || str.equals("(") || str.equals(")")  ){
                float op2=Float.parseFloat(stack.pop());
                float op1=Float.parseFloat(stack.pop());
                float result=0;

                if(str.equals("+")){
                    result=op1+op2;
                }else if(str.equals("-")){
                    result=op1-op2;
                }else if(str.equals("*")){
                    result=op1*op2;
                }else if(str.equals("/")){
                    result=op1/op2;
                }

                stack.push(String.valueOf(result));
            }else{
                // 如果是操作数直接入栈
                stack.push(str);
            }
        }
    }

    // 取得结果
    public String getResult(){
        return stack.peek();
    }
}

输出示例：

请输入算术表达式:1.2+3.4-5*(1+3.1)
1.2+3.4-5*(1+3.1)=-15.9
请输入算术表达式:23-4-5*7
23-4-5*7=-16.0
请输入算术表达式:(2+3)*4-(5-6)*7.0
(2+3)*4-(5-6)*7.0=27.0

到这里，基本上算是实现了算术表达式的计算，当然还有需要完善的地方，比如用正则表达式对输入的算术表达式进行预验证，用二叉树形成语法结构等，这些留待日后完成。可以想象如果没有利用波兰数学家卢卡希维茨（Jan Lukasiewicz）发明的后续表达式助力，代码不知会写得多么复杂难懂。由此可知除了分解问题外，合适的数学工具也是改善代码的重要手段。

喝水不忘挖井人，我的参考资料如下：

1.Java数据结构与算法(第二版) [美]Robert Lafore著

2.栈的应用--中序表达式转后序表达式  https://www.cnblogs.com/bgmind/p/3989808.html

3.波兰式，逆波兰式与表达式求值 https://blog.csdn.net/linraise/article/details/20459751

另外使用二叉树计算算术表达式的方案请见 https://www.cnblogs.com/xiandedanteng/p/11457783.html

--END--2019年9月3日10点08分

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