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C++?如何使用棧求解中綴、后綴表達(dá)式的值

 更新時間:2022年10月13日 10:22:52   作者:一枚大果殼  
這篇文章主要介紹了C++?使用棧求解中綴、后綴表達(dá)式的值,本文講解了中綴、后綴表達(dá)式的求值過程以及如何將一個中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成后綴表達(dá)式,需要的朋友可以參考下

1. 前言

表達(dá)式求值對于有知識積累的你而言,可以通過認(rèn)知,按運算符的優(yōu)先級進行先后運算。

但對計算機而言,表達(dá)式僅是一串普通的信息而已,需要通過編碼的方式告訴計算機運算法則,這個過程中棧起到了至關(guān)重要的作用。

表達(dá)式由 2 部分組成:

  • 操作數(shù)。
  • 運算符。

在一個復(fù)雜的表達(dá)式中,操作數(shù)和運算符可以有多個,運算符之間存在優(yōu)先級,且不同運算符所需要的操作數(shù)的數(shù)量也有差異。這時,表達(dá)式的計算過程就變得較復(fù)雜。為了簡化問題,本文只限于討論基于常量操作數(shù)和雙目運算符的表達(dá)式。

在計算機中,表達(dá)式的描述可以有以下 3 種:

  • 后綴表達(dá)式:操作數(shù),操作數(shù),運算符。
  • 中綴表達(dá)式:操作數(shù),運算符,操作數(shù)。數(shù)學(xué)上最常見的描述方式。
  • 前綴表達(dá)式:運算符,操作數(shù),操作數(shù)。

本文將討論后綴表達(dá)式和中綴表達(dá)式的計算過程。

2. 中綴表達(dá)式

平常所見最多的表達(dá)式是中綴表達(dá)式,如下所示:

4*6^(3+3*3-2*3)-8

中綴表達(dá)式求值時需要創(chuàng)建 2 個棧。

  • 一個用來存儲運算符的棧 optStack。
  • 一個用來存儲操作數(shù)的棧numStack。
stack<int> numStack;
stack<char> optStack;

2.1 求值流程

掃描整個表達(dá)式,對不同類型(操作數(shù)和運算符)的字符采用不同的處理方案。

  • 遇到操作數(shù)時的處理方案

直接將其壓入numStack中,如上述表達(dá)式中的第一個字符是 4,壓入numStack棧中。

  • 掃描到運算符時的處理方案

如果運算符比optStack棧頂運算符的優(yōu)先級高,則入棧。如果比optStack棧頂?shù)倪\算符的優(yōu)先級低,則彈出運算符,再從numStack棧中彈出 2 個操作數(shù),對其進行運算,且把運算結(jié)果壓入到numStack棧中。

這里就有一個問題,如何判斷運算符的優(yōu)先級?

基于數(shù)學(xué)常識,在常規(guī)的加減乘除四則運算表達(dá)式中:

  • 其運算符的優(yōu)先級為:() > ^ > *、/、% > +、-`。
  • 有括號時,先算括號內(nèi)的,后算括號外的,對于多層括號,由內(nèi)向外進行。
  • 乘方連續(xù)出現(xiàn)時先算最右邊的。

但是,這里需要知道, 因為使用到了出棧、入棧操作,運算符在棧外和棧內(nèi)的優(yōu)先級是不一樣的。

如左括號(運算符,在棧外優(yōu)先級是最高的,進棧后優(yōu)先級則變得最低。這個很好理解,括號的本質(zhì)是界限符號( 界限了一個子表達(dá)式的范圍,它并不具有運算能力),為了保證左括號后面的表達(dá)式中的運算符能正常入棧,就必須降低優(yōu)先級別。當(dāng)左括號遇到右括號時,表示由這一對括號所標(biāo)識的子表達(dá)式運算結(jié)束。

 

Tips: 棧內(nèi)、棧外優(yōu)先級相同的運算符,棧內(nèi)優(yōu)先。

 

  • 一直反復(fù)上述過程,直到表達(dá)式掃描結(jié)束。

2.2 演示表達(dá)式4*6^(3+3*3-2*3)-8 的求值過程當(dāng)

  • 一直掃描到第一個減號(-)時,兩個棧都是在進行入棧操作。

  • -(減法)運算符優(yōu)先級低于optStack棧頂?shù)?code>*運算符。這時從optStack棧中彈出*,再從numStack中彈出33 兩個操作數(shù),進行乘法運算3*3=9,并把結(jié)果壓入numStack棧中。

  • 計算完成后,因-(減法)+(加法)的優(yōu)先級相同,棧內(nèi)優(yōu)先。此時,把+optStack棧中彈出,并從numStack中相繼彈出93,計算3+9=12,并把結(jié)果壓入numStack棧中。

  • -(減法)優(yōu)先級大于棧中(的優(yōu)先級,-入棧。

  • 繼續(xù)掃描,直到遇到右括號。

  • 因右括號的優(yōu)先級最低,或者說表示子表達(dá)式到此結(jié)束,此時從optStack棧中依次彈出運算符,從numStack中相應(yīng)彈出 2 個操作數(shù),計算后把結(jié)果壓入numStack中,直到在optStack棧中遇到左括號。

彈出*32進行計算。并把結(jié)果6壓入numStack中。

彈出-運算符,并對numStack棧中的126進行計算。

  • (出棧,表示由括號表示的子表達(dá)式計算結(jié)束。繼續(xù)掃描到第二個-

  • -優(yōu)先級小于^,先做6^6=46656乘方運算 。

  • -優(yōu)先級小于*,繼續(xù)做乘法運算,46656*4=186624。

  • -入棧,最后一個數(shù)字 8入棧。

  • 因整個表達(dá)式結(jié)束,彈出-,做最后的減法運算186624-8=186616。整個表達(dá)式結(jié)束,numStack棧頂?shù)慕Y(jié)果為表達(dá)式的最后結(jié)果。

2.3 編碼實現(xiàn)

中綴表達(dá)式求值的完整代碼,僅針對只包括加、減、乘、除、括號常規(guī)運算符的表達(dá)式。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <map>
#include <cmath>
#include <cstring>
using namespace std;
//運算符對象
struct Opt {
	//運算符名字
	char name;
	//棧內(nèi)級別
	int stackInJb;
	//棧外級別
	int stackOutJb;
    //構(gòu)造
	Opt(char name,int in,int out) {
		this->name=name;
		this->stackInJb=in;
		this->stackOutJb=out;
	}
	/*
	*棧外運算符和棧內(nèi)運算比較
	*/
	bool compare(Opt* opt) {
		return this->stackOutJb > opt->stackInJb;
	}
	//顯示
	void desc() {
		cout<<this->name<<"-"<<this->stackInJb<<"-"<<this->stackOutJb<<endl;
	}
};

//關(guān)聯(lián)容器
map<char,Opt*> maps;
//初始化關(guān)聯(lián)容器,本文限定表達(dá)式中只包括如下幾種運算符
void mapOpt() {
	maps['^']=new Opt('^',3,4);
	maps['*']=new Opt('*',2,2);
	maps['+']=new Opt('+',1,1);
	maps['-']=new Opt('-',1,1);
	maps['(']=new Opt('(',0,4);
	maps[')']=new Opt(')',-1,-1);
}

int main(int argc, char** argv) {
	mapOpt();
    //操作數(shù)棧
	stack<int> numStack;
    //運算符棧
	stack<char> optStack;
    //以字符描述的表達(dá)式,最外層的括號用來標(biāo)志表達(dá)式的開始和結(jié)束
	char exps[20]="(4*6^(3+3*3-2*3)-8)";
    //初始壓入 (
	optStack.push(exps[0]);
	//棧內(nèi)運算符
	Opt* opt;
	//棧外運算符
	Opt* opt_;
	for(int i=1; exps[i]!='\0' ; ) {
		if( !(exps[i]>='0' && exps[i]<='9')  ) {
			//棧內(nèi)最初是 ) 運算符
			opt=maps[optStack.top()];
			//棧外運算符
			opt_=maps[exps[i]];
			//如果左右括號相遇
			if(opt_->name==')' && opt->name=='(') {
				//子表達(dá)式結(jié)束
				optStack.pop();
				i++;
				continue;
			}
			//比較
			bool com=opt_->compare(opt);
			if (com) {
				//入棧
				optStack.push(opt_->name);
				i++;
			} else  {
				//運算
				char n=opt->name;
				optStack.pop();
				int res;
				int optNum1=numStack.top();
				numStack.pop();
				int optNum2=numStack.top();
				numStack.pop();
				if(n=='*') {
					res=optNum2*optNum1;
				} else if(n=='+') {
					res=optNum2+optNum1;
				} else if(n=='-') {
					res=optNum2-optNum1;
				} else if(n=='^') {
					res= pow(optNum2,optNum1);
				}
				numStack.push(res);
			}
		} else {
			//數(shù)字字符
			numStack.push( exps[i]-'0' );
			i++;
		}
	}
	cout<<numStack.top()<<endl;
	return 0;
}

輸出結(jié)果:

186616

3.后綴表達(dá)式

后綴表達(dá)式也稱為逆波蘭式,其求解過程比中綴表達(dá)式要簡單,整個過程只需要一個操作數(shù)棧。所以往往會把中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成后綴表達(dá)式后再求解。

后綴表達(dá)式的求解流程:

  • 創(chuàng)建一個棧。
  • 把后綴表達(dá)式當(dāng)成一個字符串,對字符串進行逐字符掃描。
  • 遇到操作數(shù)入棧,遇到運算符則從棧中取出 2 個操作數(shù),運算后把結(jié)果壓入棧。
  • 重復(fù)上述過程,直到掃描結(jié)束。則棧中的值為最終結(jié)果。

如下是求解后綴表達(dá)式8571-*+82/-的代碼。

 

Tips:此后綴表達(dá)式對應(yīng)的中綴表達(dá)式是: 8+5*(7-1)-8/2

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;
int main() {
	char exp[20]="8571-*+82/-";
	stack<int> expStack;
	int num1;
	int num2;
	char opt;
	int res;
	for(int i=0; exp[i]!='\0'; i++) {
		if (exp[i]>='0' && exp[i]<='9') {
			//入棧
			expStack.push(exp[i]-'0');
		} else {
			//出棧
			num1=expStack.top();
			expStack.pop();
			//出棧
			num2=expStack.top();
			expStack.pop();
			//運算符
			opt=exp[i];
			switch(opt) {
				case '+':
					res=num2+num1;
					break;
				case '-':
					res=num2-num1;
					break;
				case '*':
					res=num2*num1;
					break;
				case '/':
					res=num2/num1;
					break;
			}
			expStack.push(res);
		}
	}
	cout<<expStack.top()<<endl;
	return 0;
}

 

執(zhí)行后的輸出結(jié)果:

34

4. 中綴轉(zhuǎn)后綴表達(dá)式

雖然后綴表達(dá)式的計算過程要比中綴表達(dá)式簡單很多,前提條件是要先把中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成后綴表達(dá)式。

轉(zhuǎn)換流程:

  • 初始化一個運算符棧。
  • 自左向右掃描中綴表達(dá)式,當(dāng)掃描到操作數(shù)時直接連接到后綴表達(dá)式上。
  • 當(dāng)掃描到操作符時,和運算符棧棧頂?shù)牟僮鞣M行比較。如果比棧頂運算符高,則入棧。如果比棧頂運算符低,則把棧頂?shù)倪\算符出棧后連接到中綴表達(dá)式上。
  • 若運算符是右括號,棧頂是左括號時,刪除棧頂運算符(清除括號。后綴表達(dá)式中是沒有括號的,操作數(shù)后面的運算符的優(yōu)先級由左向右降低)。
  • 重復(fù)以上過程直到遇到結(jié)束符。

問題的關(guān)鍵在于運算符優(yōu)先級的比較,并且要考慮同一個運算符在棧內(nèi)和棧外的級別。和前文計算中綴表達(dá)式時對運算符的優(yōu)先級認(rèn)定是一樣的。

4.1 流程演示

如下把8+5*(7-1)-8/2 中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成后綴表達(dá)式。

  • 初始化運算符棧。

  • 掃描中綴表達(dá)式,字符8直接輸出,+是第一個操作數(shù),因可能后續(xù)有更高的運算符,入棧。

  • 字符5直接輸出,*優(yōu)先級大于棧頂+優(yōu)先級,入棧。

  • (運算符在棧外優(yōu)先級最高,入棧。

  • 字符7直接輸出,因(運算符在棧內(nèi)優(yōu)先級最低,-運算符入棧。

  • 字符1直接輸出,)棧外優(yōu)先級最低。運算符出棧,一直碰到(。

  • -運算符小于棧中的+、+運算符。*、+運算符出棧。-入棧。

  • /優(yōu)先級大于-,入棧。字符直接輸出。

  • 字符掃描結(jié)束,把運算符棧中的運算符全部出棧。

4.2 編碼實現(xiàn)

中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)后綴表達(dá)式的實現(xiàn)過程類似于中綴表達(dá)式的求值過程,只是不需要進行計算?;蛘哒f中綴表達(dá)式的求值過程包括了中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成后綴表達(dá)式以及對后綴表達(dá)式求值過程。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <map>
#include <cmath>
#include <cstring>
using namespace std;
struct Opt {
	//運算符名字
	char name;
	//棧內(nèi)級別
	int stackInJb;
	//棧外級別
	int stackOutJb;
	Opt(char name,int in,int out) {
		this->name=name;
		this->stackInJb=in;
		this->stackOutJb=out;
	}
	/*
	*棧外運算符和棧內(nèi)運算比較
	*/
	bool compare(Opt* opt) {
		return this->stackOutJb > opt->stackInJb;
	}
	//顯示
	void desc() {
		cout<<this->name<<"-"<<this->stackInJb<<"-"<<this->stackOutJb<<endl;
	}
};
map<char,Opt*> maps;

void mapOpt() {

	maps['^']=new Opt('^',3,4);
	maps['*']=new Opt('*',2,2);
	maps['/']=new Opt('/',2,2);
	maps['+']=new Opt('+',1,1);
	maps['-']=new Opt('-',1,1);
	maps['(']=new Opt('(',0,4);
	maps[')']=new Opt(')',-1,-1);

}

int main(int argc, char** argv) {
	mapOpt();
	//后綴表達(dá)式 
	char hzExp[20]={'\0'};
	int j=0;
	stack<char> optStack;
	//中綴表達(dá)式 
	char exps[20]="(8+5*(7-1)-8/2)";
	optStack.push(exps[0]);
	//棧內(nèi)運算符
	Opt* opt;
	//棧外運算符
	Opt* opt_;
	for(int i=1; exps[i]!='\0' ; ) {

		if( !(exps[i]>='0' && exps[i]<='9')  ) {
			//棧內(nèi)最初是 ) 運算符
			opt=maps[optStack.top()];
			//棧外運算符
			opt_=maps[exps[i]];

			if(opt_->name==')' && opt->name=='(') {
				//子表達(dá)式結(jié)束
				optStack.pop();
				i++;
				continue;
			}
			//比較
			bool com=opt_->compare(opt);

			if (com) {
				//入棧
				optStack.push(opt_->name);
				i++;
			} else  {
				//運算
				char n=opt->name;
				optStack.pop();
				hzExp[j]=n;
				j++;			
			}

		} else {
			//數(shù)字字符
			hzExp[j]=exps[i];
			j++;
			i++;
		}
	}
	//hzExp[j]='\0';
	cout<<hzExp<<endl;
	return 0;
}

執(zhí)行后輸入結(jié)果:

當(dāng)然,知道了如何把中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)成后綴表達(dá)式后,需要時,可以直接給出后綴表達(dá)式。

5. 總結(jié)

本文講解了中綴、后綴表達(dá)式的求值過程以及如何將一個中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成后綴表達(dá)式。

到此這篇關(guān)于C++ 使用棧求解中綴、后綴表達(dá)式的值的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++中綴、后綴表達(dá)式的值內(nèi)容請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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