数据结构和算法使用栈实现综合计算器

Posted 2021-07-19 思想累积

1、思路分析

使用栈完成计算一个表达式的结果 7*2+1-3

使用栈完成表达式计算的思路

1. 使用一个 index 值（索引）来遍历我们的表达式
2. 如果发现是一个数字，入数栈
3. 如果发现是符号，分以下情况
   1. 如果发现符号栈为空，直接入栈
   2. 符号栈内有操作符，比较当前操作符的优先级
      1. 当前操作符优先级小于或等于栈中的操作符，从数栈中 pop 出两个数，符号栈 pop 出一个符号，进行运算，得到结果入数栈，当前的操作符入符号栈
      2. 当前操作符优先级大于栈中的操作符，直接入符号栈
4. 表达式扫描完毕后，顺序的从数栈和符号栈中 pop 出相应的数和符号，并运行。
5. 最后在数栈中只有一个数字，就是我们的结果

2、1 - 10 以内表达式计算

2.1 栈功能实现

class ArrayStack{
    public int maxSize; // 栈的大小
    public int[] stack; // 栈
    public int top = -1; // 栈顶

    // 构造
    public ArrayStack(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        stack = new int[maxSize];
    }

    // 判断栈是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return top == -1;
    }

    // 判断栈是否满
    public boolean isFull(){
        return top == maxSize - 1;
    }

    // 入栈 push
    public void push(int value){
        if(isFull()) {
            System.out.println("栈已满，无法进行入栈操作");
            return;
        }
        top ++;
        stack[top] = value;
    }

    // 出栈 pop
    public int pop(){
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("栈内没有数据");
        }
        int value = stack[top];
        top --;
        return value;
    }

    // 栈顶数据，不出栈
    public int peek() {
        return stack[top];
    }

    // 遍历，从栈顶开始展示数据
    public void list(){
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("栈内有没数据");
            return;
        }
        for (int i = top; i >= 0; i--) {
            System.out.printf("stack[%d] = %d\\n", i, stack[i]);
        }
    }

    // 返回加减乘除运算符的优先级，优先级用数字表示，数字越大，优先级越高
    public int priority(int oper) {
        if (oper == '*' || oper == '/') {
            return 1;
        } else if(oper == '+' || oper == '-') {
            return 0;
        } else {
            return -1;
        }
    }

    // 判断是否为加减乘除运算符
    public boolean isOper(char value) {
        return value == '+' || value == '-' || value == '*' || value == '/';
    }

    // 计算方法
    public int cal(int num1, int num2, int oper) {
        int result = 0; // 计算的结果
        switch (oper) {
            case '+':
                result = num1 + num2;
                break;
            case '-':
                result = num2 - num1;
                break;
            case '*':
                result = num1 * num2;
                break;
            case '/':
                result = num2 / num1;
                break;
            default:
                break;
        }
        return result;
    }

}

2.2 表达式计算

public class ArrayStackDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String expression = "2*5-8/2"; // 1 - 10 以内进行计算
        // 创建数栈和符号栈
        ArrayStack numStack = new ArrayStack(10);
        ArrayStack operStack = new ArrayStack(10);
        int index = 0; // 当前字符下标
        int num1 = 0;
        int num2 = 0;
        int oper = 0;
        int result = 0;
        char ch = ' '; // 每次扫描结果保存到 ch 中
        while (true) {
            // 截取字符
            ch = expression.substring(index, index + 1).charAt(0);
            // 判断 ch 是符号还是数字，做相应处理
            if(operStack.isOper(ch)) { // 判断是符号
                // 判断符号栈是否为空
                if (!operStack.isEmpty()) { // 符号栈不为空先判断符号优先级
                    // 当前符号与栈顶符号进行比较
                    if (operStack.priority(ch) <= operStack.priority(operStack.peek())) { // 当前符号优先级小于栈顶符号优先级的话
                        num1 = numStack.pop();
                        num2 = numStack.pop();
                        oper = operStack.pop();
                        result = numStack.cal(num1, num2, oper);
                        // 运算结果与运算符入栈
                        numStack.push(result);
                        operStack.push(ch);
                    }
                } else {
                    // 如果为空，直接入符号栈
                    operStack.push(ch);
                }
            } else { // 因为是个位数，只有一个数字。判断为数字，直接入数栈
                numStack.push(ch - 48);
            }
            // 判断是否扫描到 expression 最后
            index ++;
            if (index >= expression.length()) {
                break;
            }
        }

        numStack.list();
        operStack.list();
        // 顺序从符号栈中取出相应的数和符号进行计算
        while(true) {
            // 符号栈为空，则计算到最后的结果，数栈中剩余 1 个数值
            if (operStack.isEmpty()) {
                break;
            }
            num1 = numStack.pop();
            num2 = numStack.pop();
            oper = operStack.pop();
            result = numStack.cal(num1, num2, oper);
            numStack.push(result);
        }
        System.out.println("数栈内最后的数为：" + numStack.pop());

    }
}

3、多位数进行计算

3.1 栈实现

class ArrayStack{
    public int maxSize; // 栈的大小
    public int[] stack; // 栈
    public int top = -1; // 栈顶

    // 构造
    public ArrayStack(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        stack = new int[maxSize];
    }

    // 判断栈是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return top == -1;
    }

    // 判断栈是否满
    public boolean isFull(){
        return top == maxSize - 1;
    }

    // 入栈 push
    public void push(int value){
        if(isFull()) {
            System.out.println("栈已满，无法进行入栈操作");
            return;
        }
        top ++;
        stack[top] = value;
    }

    // 出栈 pop
    public int pop(){
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("栈内没有数据");
        }
        int value = stack[top];
        top --;
        return value;
    }

    // 栈顶数据，不出栈
    public int peek() {
        return stack[top];
    }

    // 遍历，从栈顶开始展示数据
    public void list(){
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("栈内有没数据");
            return;
        }
        for (int i = top; i >= 0; i--) {
            System.out.printf("stack[%d] = %d\\n", i, stack[i]);
        }
    }

    // 返回加减乘除运算符的优先级，优先级用数字表示，数字越大，优先级越高
    public int priority(int oper) {
        if (oper == '*' || oper == '/') {
            return 1;
        } else if(oper == '+' || oper == '-') {
            return 0;
        } else {
            return -1;
        }
    }

    // 判断是否为加减乘除运算符
    public boolean isOper(char value) {
        return value == '+' || value == '-' || value == '*' || value == '/';
    }

    // 计算方法
    public int cal(int num1, int num2, int oper) {
        int result = 0; // 计算的结果
        switch (oper) {
            case '+':
                result = num1 + num2;
                break;
            case '-':
                result = num2 - num1;
                break;
            case '*':
                result = num1 * num2;
                break;
            case '/':
                result = num2 / num1;
                break;
            default:
                break;
        }
        return result;
    }

}

3.2 多位数表达式计算

public class ArrayStackDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String expression = "2*12-8+4"; // 1 - 10 以内进行计算
        // 创建数栈和符号栈
        ArrayStack numStack = new ArrayStack(10);
        ArrayStack operStack = new ArrayStack(10);
        int index = 0; // 当前字符下标
        int num1 = 0;
        int num2 = 0;
        int oper = 0;
        int result = 0;
        char ch = ' '; // 每次扫描结果保存到 ch 中
        String keepNum = ""; // 多位数拼接字符
        while (true) {
            // 截取字符
            ch = expression.substring(index, index + 1).charAt(0);
            // 判断 ch 是符号还是数字，做相应处理
            if(operStack.isOper(ch)) { // 判断是符号
                // 判断符号栈是否为空
                if (!operStack.isEmpty()) { // 符号栈不为空先判断符号优先级
                    // 当前符号与栈顶符号进行比较
                    if (operStack.priority(ch) <= operStack.priority(operStack.peek())) { // 当前符号优先级小于栈顶符号优先级的话
                        num1 = numStack.pop();
                        num2 = numStack.pop();
                        oper = operStack.pop();
                        result = numStack.cal(num1, num2, oper);
                        // 运算结果与运算符入栈
                        numStack.push(result);
                        operStack.push(ch);
                    }
                } else {
                    // 如果为空，直接入符号栈
                    operStack.push(ch);
                }
            } else { // 判断为数字，直接入数栈
                // 处理多位数时，在入数栈时，需要向 expression 表达式后一位再看一位
                keepNum += ch;
                // 如果 index 指向字符串最后一位，直接入数栈
                if (index == expression.length() - 1) {
                    numStack.push(Integer.valueOf(keepNum));
                } else {
                    // 判断后一位是不是数字，如果是数字，继续扫描
                    if (operStack.isOper(expression.substring(index + 1, index + 2).charAt(0))) {
                        // 后一位是运算符，入栈
                        numStack.push(Integer.valueOf(keepNum));
                        keepNum = "";
                    }
                }
            }
            // 判断是否扫描到 expression 最后
            index ++;
            if (index >= expression.length()) {
                break;
            }
        }

        numStack.list();
        operStack.list();
        // 顺序从符号栈中取出相应的数和符号进行计算
        while(true) {
            // 符号栈为空，则计算到最后的结果，数栈中剩余 1 个数值
            if (operStack.isEmpty()) {
                break;
            }
            num1 = numStack.pop();
            num2 = numStack.pop();
            oper = operStack.pop();
            result = numStack.cal(num1, num2, oper);
            numStack.push(result);
        }
        System.out.println("数栈内最后的数为：" + numStack.pop());

    }
}