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Java用棧實(shí)現(xiàn)綜合計(jì)算器

 更新時(shí)間:2022年06月15日 14:51:41   作者:coderZ666  
棧(stack)又名堆棧,它是一種運(yùn)算受限的線(xiàn)性表,下面看一下如何在Java中,利用數(shù)組實(shí)現(xiàn)模擬一個(gè)棧,感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧

棧(stack)又名堆棧,它是一種運(yùn)算受限的線(xiàn)性表 。限定僅在表尾進(jìn)行插入和刪除操作的線(xiàn)性表。這一端被稱(chēng)為棧頂,相對(duì)地,把另一端稱(chēng)為棧底。向一個(gè)棧插入新元素又稱(chēng)作進(jìn)棧、入?;驂簵#前研略胤诺綏m斣氐纳厦?,使之成為新的棧頂元素;從一個(gè)棧刪除元素又稱(chēng)作出?;蛲藯?,它是把棧頂元素刪除掉,使其相鄰的元素成為新的棧頂元素。

概念隨便一看,反正就是先進(jìn)后出的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),什么是棧這里不做贅述,下面看一下如何在Java中,利用數(shù)組實(shí)現(xiàn)模擬一個(gè)棧。

Java實(shí)現(xiàn)棧

可以用數(shù)組來(lái)簡(jiǎn)單的模擬出一個(gè)棧的結(jié)構(gòu)。

棧一共兩個(gè)操作,入棧和出棧

我們只需要一個(gè)指針指向棧頂即可完成:

1.出棧的時(shí)候?qū)m斨羔樦赶虻臄?shù)據(jù)取出,指針左移一位指向新的棧頂數(shù)據(jù)

2.入棧的時(shí)候?qū)m斨羔樅笠埔晃?,新的棧頂?shù)據(jù)放入指針?biāo)谖恢?/p>

注意:當(dāng)然,由于數(shù)組存儲(chǔ)空間是定長(zhǎng)的,需要指定棧的大小,出入棧也需要判斷??铡M(mǎn)

用類(lèi)ArrayStack作為棧對(duì)象

1.屬性maxSize存放棧的大小,用于判斷棧是否滿(mǎn)

2.屬性stack[]是用于存放棧的數(shù)組

3.top指針指向棧頂,初始化指向-1(因?yàn)槿霔R群笠疲?/p>

4.方法有——查看棧頂數(shù)據(jù)、判斷棧是否空、判斷棧是否滿(mǎn)、入棧、出棧、打印棧

代碼如下:

class ArrayStack{
    /**
     * 棧的大小
     */
    private int maxSize;
    /**
     * 數(shù)組,模擬棧
     */
    private int[] stack;
    /**
     * top表示棧頂數(shù)據(jù)所在數(shù)組位置的下標(biāo),初始化為-1
     */
    private int top = -1;
    /**
     * 構(gòu)造器,初始化棧
     * @param maxSize 棧的大小
     */
    public ArrayStack(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        stack = new int[maxSize];
    }
    /**
     * 返回當(dāng)前棧頂?shù)闹?,不出?
     * @return 當(dāng)前棧頂?shù)闹?
     */
    public int topData(){
        return stack[top];
    }
    /**
     * 判斷棧是否滿(mǎn)
     */
    public boolean isFull(){
        return top==maxSize-1;
    }
    /**
     * 判斷棧是否空
     */
    public boolean isNull(){
        return top==-1;
    }
    /**
     * 入棧
     * @param data 入棧的數(shù)據(jù)
     */
    public void push(int data){
        //先判斷棧是否是滿(mǎn)的
        if (isFull()){
            //如果是滿(mǎn)的,打印錯(cuò)誤,直接返回
            System.out.println("棧已滿(mǎn)");
            return;
        }
        //棧沒(méi)滿(mǎn),入棧
        // top++;stack[top]=data;
        stack[++top] = data;
    }
    /**
     * 出棧
     * @return 返回棧頂數(shù)據(jù)
     */
    public int pop(){
        //先判斷棧是否為空
        if (isNull()){
            //如果為空,拋出異常
            throw new RuntimeException("棧為空,沒(méi)有可出棧數(shù)據(jù)");
        }
        //不為空?qǐng)?zhí)行出棧
        return stack[top--];
    }
    /**
     * 顯示棧的情況,從棧頂顯示到棧底
     */
    public void showStack(){
        //先判斷是否為空棧
        if (isNull()){
            System.out.println("棧為空,沒(méi)有數(shù)據(jù)");
            return;
        }
        //遍歷顯示棧
        for (int i = top; i >= 0; i--) {
            System.out.printf("stack[%d]=%d\n",i,stack[i]);
        }
    }

至此,一個(gè)簡(jiǎn)單的棧結(jié)構(gòu)就模擬完成了

那么??梢杂脕?lái)做什么呢?

進(jìn)制轉(zhuǎn)換、判斷括號(hào)是否匹配、算數(shù)表達(dá)式的計(jì)算、中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換后綴表達(dá)式

本文來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)中綴表達(dá)式的計(jì)算、后綴表達(dá)式計(jì)算以及中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換后綴表達(dá)式

棧實(shí)現(xiàn)綜合計(jì)算器

首先分析,表達(dá)式由運(yùn)算數(shù)和運(yùn)算符組成,運(yùn)算符具有優(yōu)先級(jí)問(wèn)題,所以在計(jì)算一個(gè)表達(dá)式時(shí),是根據(jù)運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)順序?qū)\(yùn)算數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)運(yùn)算符的計(jì)算

那么首先需要一些工具方法對(duì)用于遍歷表達(dá)式時(shí)的判斷,和運(yùn)算表達(dá)式時(shí)的計(jì)算

包括:

1.判斷字符是否是一個(gè)運(yùn)算符

2.判斷字符是否是括號(hào)

3.判斷運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)

4.根據(jù)運(yùn)算符計(jì)算兩個(gè)數(shù)據(jù)

    /**
     * 判斷char字符是否是一個(gè)運(yùn)算符
     * @param operator 要檢測(cè)是否是運(yùn)算符的char
     * @return 是否為運(yùn)算符
     */
    static boolean isOperator(int operator){
        return operator=='+'||operator=='-'||operator=='*'||operator=='/';
    }
    /**
     * 判斷char字符是否是括號(hào)
     */
    static boolean isBracket(int operator){
        return operator=='('||operator==')';
    }
    /**
     * 返回運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)(數(shù)字大優(yōu)先級(jí)高)
     * @param operator 運(yùn)算符
     * @return 表示優(yōu)先級(jí)的int
     */
    static int priority(int operator){
        if (operator == '+' || operator == '-'){
            return 0;
        }
        if (operator == '*' || operator == '/'){
            return 1;
        }
        return -1;
    }
    /**
     * 根據(jù)運(yùn)算符計(jì)算兩個(gè)數(shù)據(jù)
     * @param num1 數(shù)據(jù)1
     * @param num2 數(shù)據(jù)2
     * @param operator 運(yùn)算符(+-*除)
     * @return 運(yùn)算結(jié)果
     */
    static int calculate(int num1,int num2,int operator){
        int res = 0;
        switch (operator){
            case '+':
                res = num2 + num1;
                break;
            case '-':
                res = num2 - num1;
                break;
            case '*':
                res = num2 * num1;
                break;
            case '/':
                res = num2 / num1;
                break;
            default:
                break;
        }
        return res;
    }

1.中綴表達(dá)式直接計(jì)算

這里實(shí)現(xiàn)直接計(jì)算一個(gè)中綴表達(dá)式,沒(méi)有寫(xiě)入對(duì)括號(hào)的判斷,所以只能是計(jì)算最簡(jiǎn)單的加減乘除

具體實(shí)現(xiàn)思路,需要兩個(gè)棧,一個(gè)棧放運(yùn)算數(shù),一個(gè)棧放運(yùn)算符

遍歷整個(gè)算數(shù)表達(dá)式的字符串:

會(huì)有兩種情況,遇到運(yùn)算符或者遇到運(yùn)算數(shù)

1.如果遇到運(yùn)算數(shù)就加入到數(shù)棧中

2.如果是運(yùn)算符需要循環(huán)判斷符號(hào)棧的情況,如果符號(hào)棧不為空且當(dāng)前運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)小于等于棧頂運(yùn)算符,就彈出兩個(gè)運(yùn)算數(shù)一個(gè)運(yùn)算符進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果壓入數(shù)棧;直到符號(hào)棧為空或者當(dāng)前運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)大于棧頂,就將當(dāng)前運(yùn)算符入符號(hào)棧

3.算術(shù)表達(dá)式遍歷結(jié)束后,繼續(xù)計(jì)算,循環(huán)彈出兩個(gè)數(shù)一個(gè)符號(hào),計(jì)算結(jié)果入數(shù)棧,直到符號(hào)棧為空,此時(shí)數(shù)棧中剩下一個(gè)數(shù)字就是表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果

    /**
     * 計(jì)算中綴表達(dá)式的結(jié)果(不能含有括號(hào))
     * @param expression 中綴表達(dá)式
     * @return 結(jié)果
     */
    static int calculateMid(String expression) {
        //數(shù)字棧
        ArrayStack numStack = new ArrayStack(10);
        //運(yùn)算符棧
        ArrayStack operatorStack = new ArrayStack(10);
        //遍歷字符串進(jìn)行入棧等運(yùn)算操作
        for (int i = 0; i < expression.length(); i++) {
            //遍歷到字符串中的一個(gè)字符
            char ch = expression.charAt(i);
            //判斷是否為運(yùn)算符
            if (isOperator(ch)) {
                //如果是運(yùn)算符,判斷當(dāng)前符號(hào)棧是否為空
                //不為空,判斷當(dāng)前符號(hào)優(yōu)先級(jí)和棧中符號(hào)優(yōu)先級(jí)的關(guān)系進(jìn)行操作
                //當(dāng)前運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)小于等于棧中運(yùn)算符優(yōu)先級(jí),從數(shù)棧中pop兩個(gè)數(shù)據(jù),運(yùn)算符棧中pop一個(gè)運(yùn)算符進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果push進(jìn)數(shù)棧,新運(yùn)算符再次進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷
                while (!operatorStack.isNull() && priority(ch) <= priority(operatorStack.topData())){
                    int num1 = numStack.pop();
                    int num2 = numStack.pop();
                    int operator = operatorStack.pop();
                    int res = calculate(num1, num2, operator);
                    numStack.push(res);
                }
                //直到當(dāng)前運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)大于棧中運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)或棧為空,再入棧
                operatorStack.push(ch);
            }else {
                //如果不是運(yùn)算符,判斷是否是數(shù)字
                if (Character.isDigit(ch)) {
                    //如果是數(shù)字,準(zhǔn)備記錄下這個(gè)數(shù)字
                    StringBuilder num = new StringBuilder(String.valueOf(ch));
                    //找到下一個(gè)字符判斷,進(jìn)行拼接操作,直到下一個(gè)為運(yùn)算符或沒(méi)有下一個(gè)字符為止
                    while (i+1 < expression.length()&&!isOperator(expression.charAt(i+1))) {
                        //如果還是數(shù)字,先將數(shù)字拼接,再i++
                        num.append(expression.charAt(i+1));
                        i++;
                    }
                    numStack.push(Integer.parseInt(num.toString()));
                }else {
                    //如果不是數(shù)字(到這里就既不是數(shù)字也不是運(yùn)算符)報(bào)錯(cuò)表達(dá)式有誤
                    throw new RuntimeException("運(yùn)算表達(dá)式有誤,不支持的符號(hào):[ "+ch+" ]");
                }
            }
        }
        //遍歷結(jié)束后將棧中繼續(xù)計(jì)算直到數(shù)棧中只有一個(gè)數(shù)字,就是結(jié)果
        while (!operatorStack.isNull()){
            int num1 = numStack.pop();
            int num2 = numStack.pop();
            int operator = operatorStack.pop();
            int res = calculate(num1, num2, operator);
            numStack.push(res);
        }
        return numStack.pop();
    }

2.后綴表達(dá)式計(jì)算

后綴表達(dá)式是也稱(chēng)逆波蘭表達(dá)式,是一種計(jì)算機(jī)更好處理的表達(dá)式結(jié)構(gòu)

因?yàn)楹缶Y表達(dá)式相當(dāng)于按照優(yōu)先級(jí)、括號(hào)等,排好了計(jì)算順序,計(jì)算機(jī)只需要順序向后加載計(jì)算即可

用到一個(gè)數(shù)棧就夠了,只需要遍歷表達(dá)式,遇到數(shù)字直接入棧,遇到符號(hào)直接出棧兩個(gè)數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算,將結(jié)果再入棧,直到表達(dá)式遍歷結(jié)束,棧中就剩下一個(gè)數(shù)字就是計(jì)算結(jié)果

代碼如下:

這里將表達(dá)式格式限制為每個(gè)不同元素用空格隔開(kāi),便不需要加載操作數(shù)時(shí)判斷多位數(shù)了

    /**
     * 計(jì)算后綴表達(dá)式
     * @param expression 后綴表達(dá)式
     * @return 計(jì)算結(jié)果
     */
    static int calculateSuf(String expression){
        //1.將后綴表達(dá)式拆開(kāi)放入集合
        String[] expressionList = expression.split(" ");
        //2.創(chuàng)建數(shù)棧
        ArrayStack numStack = new ArrayStack(10);
        for (String s : expressionList) {
            //判斷是否是符號(hào)
            if (isOperator(s.charAt(0))) {
                //是符號(hào)就出棧兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算
                int num1 = numStack.pop();
                int num2 = numStack.pop();
                int res = calculate(num1, num2, s.charAt(0));
                //計(jì)算結(jié)果入棧
                numStack.push(res);
            }else {
                //不是符號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字入棧即可
                int num;
                try {
                    num = Integer.parseInt(s);
                }catch (NumberFormatException e){
                    throw new RuntimeException("錯(cuò)誤的表達(dá)式:[ "+s+" ]");
                }
                numStack.push(num);
            }
        }
        return numStack.pop();
    }

中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)后綴表達(dá)式

中綴表達(dá)式就是生活中使用的算數(shù)表達(dá)式

比如一個(gè)中綴表達(dá)式:1+((2+3)*4)-5

轉(zhuǎn)換為后綴表達(dá)式為:1 2 3 + 4 * + 5 -

目前,如果要我自己去轉(zhuǎn)換,一般采用樹(shù)來(lái)輔助,更好記憶和理解,將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成樹(shù)形結(jié)構(gòu),再后序遍歷這個(gè)樹(shù)就能得到后綴表達(dá)式

這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程,用算法來(lái)完成,是稍有些復(fù)雜的,轉(zhuǎn)換算法也是前人長(zhǎng)時(shí)間的智慧結(jié)晶,沒(méi)有看到過(guò)轉(zhuǎn)換方法之前,自己想不到怎么轉(zhuǎn)換還算蠻正常的,重點(diǎn)體會(huì)一下這個(gè)思路就好,其實(shí)整個(gè)思路也是根據(jù)之前計(jì)算中綴表達(dá)式得來(lái)

轉(zhuǎn)換算法思路:

1.初始化兩個(gè)棧,一個(gè)是符號(hào)棧s1,一個(gè)是中間結(jié)果棧s2

2.從左到右掃描中綴表達(dá)式

3.遇到操作數(shù)直接入棧s2

4.遇到運(yùn)算符還是循環(huán)判斷,當(dāng)運(yùn)算符棧不為空且當(dāng)前運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)不大于棧頂運(yùn)算符時(shí),就彈出一個(gè)運(yùn)算符壓入中間結(jié)果棧,直到棧為空或當(dāng)前運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)大于棧頂運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)(這里判斷優(yōu)先級(jí),會(huì)出現(xiàn)左括號(hào),左括號(hào)當(dāng)做最低優(yōu)先級(jí),也就是遇到左括號(hào)就直接運(yùn)算符入棧即可)

5.遇到括號(hào)時(shí),如果是左括號(hào),直接入棧s1;如果是右括號(hào),依次彈出s1中的運(yùn)算符壓入s2,直到遇見(jiàn)左括號(hào)為止,此時(shí)將一對(duì)括號(hào)丟棄

6.直到整個(gè)表達(dá)式遍歷結(jié)束,再將s1中剩余的運(yùn)算符依次彈出壓入s2

此時(shí)s2棧彈出順序的逆序就是后綴表達(dá)式

代碼如下:

    static String infixToSuffix(String infix){
        //運(yùn)算符棧
        ArrayStack operatorStack = new ArrayStack(20);
        //結(jié)果棧
        ArrayStack resStack = new ArrayStack(20);
        //遍歷掃描中綴表達(dá)式
        for (int i = 0; i < infix.length(); i++) {
            //遍歷到的一個(gè)字符
            char ch = infix.charAt(i);
            //判斷是否為運(yùn)算符
            if (isOperator(ch)){
                //循環(huán)判斷如果運(yùn)算符棧不為空且當(dāng)前運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)不大于棧頂運(yùn)算符
                while (!operatorStack.isNull() && priority(ch) <= priority(operatorStack.topData())){
                    //彈出運(yùn)算符棧壓入結(jié)果棧
                    resStack.push(operatorStack.pop());
                }
                //當(dāng)前運(yùn)算符入運(yùn)算符棧
                operatorStack.push(ch);

            }
            //如果不是運(yùn)算符再判斷是否是運(yùn)算數(shù),是就直接壓入結(jié)果棧
            else if (Character.isDigit(ch)){
                //如果是數(shù)字,記錄下這個(gè)數(shù)字壓入結(jié)果棧
                StringBuilder num = new StringBuilder(String.valueOf(ch));
                //找到下一個(gè)字符判斷,進(jìn)行拼接操作,直到下一個(gè)為運(yùn)算符或沒(méi)有下一個(gè)字符為止
                while (i+1 < infix.length()&&Character.isDigit(infix.charAt(i+1))) {
                    //如果還是數(shù)字,先將數(shù)字拼接,再i++
                    num.append(infix.charAt(i+1));
                    i++;
                }
                resStack.push(Integer.parseInt(num.toString()));
            }
            //如果不是運(yùn)算符也不是操作數(shù),判斷是否為括號(hào)
            else if (isBracket(ch)){
                //如果是括號(hào),判斷左括號(hào)壓入運(yùn)算符棧
                if (ch=='('){
                    operatorStack.push(ch);
                }
                //如果是右括號(hào),依次彈出s1的運(yùn)算符,壓入結(jié)果棧,直到遇見(jiàn)左括號(hào)(丟棄這一對(duì)括號(hào))
                else if (ch==')'){
                    while (true){
                        int top = operatorStack.pop();
                        if (top=='('){
                            break;
                        }
                        resStack.push(top);
                    }
                }
            }
        }
        //遍歷結(jié)束后,將運(yùn)算符棧中剩余的運(yùn)算符依次彈出壓入結(jié)果棧
        while (!operatorStack.isNull()){
            resStack.push(operatorStack.pop());
        }
        //遍歷結(jié)果棧返回后綴表達(dá)式字符串(這里是反的)
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        while (!resStack.isNull()){
            int pop = resStack.pop();
            if (isOperator(pop)){
                char popChar = (char) pop;
                res.append(popChar).append(" ");
            }else {
                res.append(pop).append(" ");
            }
        }
        //將結(jié)果字符串反轉(zhuǎn)返回后綴表達(dá)式
        String s = res.toString();
        String[] s1 = s.split(" ");
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        for (int i = s1.length-1; i >= 0; i--) {
            builder.append(s1[i]).append(" ");
        }
        return builder.toString();
    }

思考:

最后出棧順序的倒敘才是后綴表達(dá)式,那么是否可以用隊(duì)列來(lái)代替s2棧呢?

是完全可以的,s2在整個(gè)過(guò)程只有入棧操作,更換為隊(duì)列進(jìn)行入隊(duì),最終棧先進(jìn)后出是逆序,隊(duì)列先進(jìn)先出就是順序的。

到此這篇關(guān)于Java用棧實(shí)現(xiàn)綜合計(jì)算器的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java綜合計(jì)算器內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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