C++?如何使用棧求解中綴、后綴表達(dá)式的值
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
對中綴表達(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。
- 因
-(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3
和3
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)
和+(加法)
的優(yōu)先級相同,棧內(nèi)優(yōu)先。此時,把+
從optStack
棧中彈出,并從numStack
中相繼彈出9
和3
,計算3+9=12
,并把結(jié)果壓入numStack
棧中。
- 因
-(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*
對3
和2
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12
和6
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-
- 因
-
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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