使用java處理字符串公式運算的方法
更新時間：2013年04月26日 15:23:27 作者：
本篇文章介紹了，使用java處理字符串公式運算的方法。需要的朋友參考下
在改進(jìn)一個關(guān)于合同的項目時，有個需求，就是由于合同中非數(shù)據(jù)項的計算公式會根據(jù)年份而進(jìn)行變更，而之前是將公式硬編碼到系統(tǒng)中的，只要時間一變，系統(tǒng)就沒法使用了，因此要求合同中各個非基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的項都能自定義公式，根據(jù)設(shè)置的公式來自動生成報表和合同中的數(shù)據(jù)。
顯然定義的公式都是以字符串來存儲到數(shù)據(jù)庫的，可是java中沒有這種執(zhí)行字符串公式的工具或者類，而且是公式可以嵌套一個中間公式。比如：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)dddd是56，而一個公式是依賴dddd的，eeee=dddd*20,而最終的公式可能是這樣：eeee*-12+13-dddd+24?？芍猠eee是一個中間公式，所以一個公式的計算需要知道中間公式和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
這好像可以使用一個解釋器模式來解決，但是我沒有成功，因為括號的優(yōu)先級是一個棘手的問題，后來又想到可以使用freemarker類似的模板引擎或者java6之后提供的ScriptEngine 腳本引擎，做了個實驗，腳本引擎可以解決，但是這限制了必須使用java6及以上的版本。最終功夫不負(fù)有心人，終于找到了完美解決方案，即后綴表達(dá)式。我們平時寫的公式稱作中綴表達(dá)式，計算機(jī)處理起來比較困難，所以需要先將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成計算機(jī)處理起來比較容易的后綴表達(dá)式。
將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換為后綴表達(dá)式具體算法規(guī)則：見后綴表達(dá)式
a.若為 '('，入棧；
b.若為 ')'，則依次把棧中的的運算符加入后綴表達(dá)式中，直到出現(xiàn)'('，從棧中刪除'(' ；
c.若為 除括號外的其他運算符 ，當(dāng)其優(yōu)先級高于棧頂運算符時，直接入棧。否則從棧頂開始，依次彈出比當(dāng)前處理的運算符優(yōu)先級高和優(yōu)先級相等的運算符，直到一個比它優(yōu)先級低的或者遇到了一個左括號為止。
·當(dāng)掃描的中綴表達(dá)式結(jié)束時，棧中的的所有運算符出棧；
我們提出的要求設(shè)想是這樣的：
復(fù)制代碼 代碼如下:
public class FormulaTest {
@Test
public void testFormula() {
//基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
Map<String, BigDecimal> values = new HashMap<String, BigDecimal>();
values.put("dddd", BigDecimal.valueOf(56d));
//需要依賴的其他公式
Map<String, String> formulas = new HashMap<String, String>();
formulas.put("eeee", "#{dddd}*20");
//需要計算的公式
String expression = "#{eeee}*-12+13-#{dddd}+24";
BigDecimal result = FormulaParser.parse(expression, formulas, values);
Assert.assertEquals(result, BigDecimal.valueOf(-13459.0));
}
}
以下就是解決問題的步驟：
1、首先將所有中間變量都替換成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
FormulaParser的finalExpression方法會將所有的中間變量都替換成基礎(chǔ)數(shù)據(jù),就是一個遞歸的做法
復(fù)制代碼 代碼如下:
public class FormulaParser {
/**
* 匹配變量占位符的正則表達(dá)式
*/
private static Pattern pattern = Pattern.compile("\\#\\{(.+?)\\}");
/**
* 解析公式，并執(zhí)行公式計算
*
* @param formula
* @param formulas
* @param values
* @return
*/
public static BigDecimal parse(String formula, Map<String, String> formulas, Map<String, BigDecimal> values) {
if (formulas == null)formulas = Collections.emptyMap();
if (values == null)values = Collections.emptyMap();
String expression = finalExpression(formula, formulas, values);
return new Calculator().eval(expression);
}
/**
* 解析公式，并執(zhí)行公式計算
*
* @param formula
* @param values
* @return
*/
public static BigDecimal parse(String formula, Map<String, BigDecimal> values) {
if (values == null)values = Collections.emptyMap();
return parse(formula, Collections.<String, String> emptyMap(), values);
}
/**
* 解析公式，并執(zhí)行公式計算
*
* @param formula
* @return
*/
public static BigDecimal parse(String formula) {
return parse(formula, Collections.<String, String> emptyMap(), Collections.<String, BigDecimal> emptyMap());
}
/**
* 將所有中間變量都替換成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
*
* @param expression
* @param formulas
* @param values
* @return
*/
private static String finalExpression(String expression, Map<String, String> formulas, Map<String, BigDecimal> values) {
Matcher m = pattern.matcher(expression);
if (!m.find())return expression;
m.reset();
StringBuffer buffer = new StringBuffer();
while (m.find()) {
String group = m.group(1);
if (formulas != null && formulas.containsKey(group)) {
String formula = formulas.get(group);
m.appendReplacement(buffer, '(' + formula + ')');
} else if (values != null && values.containsKey(group)) {
BigDecimal value = values.get(group);
m.appendReplacement(buffer,value.toPlainString());
}else{
throw new IllegalArgumentException("expression '"+expression+"' has a illegal variable:"+m.group()+",cause veriable '"+group+"' not being found in formulas or in values.");
}
}
m.appendTail(buffer);
return finalExpression(buffer.toString(), formulas, values);
}
}
2、將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換為后綴表達(dá)式
Calculator的infix2Suffix將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換成了后綴表達(dá)式
3、計算后綴表達(dá)式
Calculator的evalInfix計算后綴表達(dá)式
復(fù)制代碼 代碼如下:
public class Calculator{
private static Log logger = LogFactory.getLog(Calculator.class);
/**
* 左括號
*/
public final static char LEFT_BRACKET = '(';
/**
* 右括號
*/
public final static char RIGHT_BRACKET = ')';
/**
* 中綴表達(dá)式中的空格，需要要忽略
*/
public final static char BLANK = ' ';
/**
* 小數(shù)點符號
*/
public final static char DECIMAL_POINT = '.';
/**
* 負(fù)號
*/
public final static char NEGATIVE_SIGN = '-';
/**
* 正號
*/
public final static char POSITIVE_SIGN = '+';
/**
* 后綴表達(dá)式的各段的分隔符
*/
public final static char SEPARATOR = ' ';
/**
* 解析并計算表達(dá)式
*
* @param expression
* @return
*/
public BigDecimal eval(String expression) {
String str = infix2Suffix(expression);
logger.info("Infix Expression: " + expression);
logger.info("Suffix Expression: " + str);
if (str == null) {
throw new IllegalArgumentException("Infix Expression is null!");
}
return evalInfix(str);
}
/**
* 對后綴表達(dá)式進(jìn)行計算
*
* @param expression
* @return
*/
private BigDecimal evalInfix(String expression) {
String[] strs = expression.split("\\s+");
Stack<String> stack = new Stack<String>();
for (int i = 0; i < strs.length; i++) {
if (!Operator.isOperator(strs[i])) {
stack.push(strs[i]);
} else {
Operator op = Operator.getInstance(strs[i]);
BigDecimal right =new BigDecimal(stack.pop());
BigDecimal left =new BigDecimal(stack.pop());
BigDecimal result = op.eval(left, right);
stack.push(String.valueOf(result));
}
}
return new BigDecimal(stack.pop());
}
/**
* 將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換為后綴表達(dá)式<br>
* 具體算法規(guī)則 81 * 1)計算機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換： 將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換為后綴表達(dá)式的算法思想：
* 開始掃描；
* 數(shù)字時，加入后綴表達(dá)式；
* 運算符：
* a.若為 '('，入棧；
* b.若為 ')'，則依次把棧中的的運算符加入后綴表達(dá)式中，直到出現(xiàn)'('，從棧中刪除'(' ；
* c.若為 除括號外的其他運算符 ，當(dāng)其優(yōu)先級高于棧頂運算符時，直接入棧。否則從棧頂開始，依次彈出比當(dāng)前處理的運算符優(yōu)先級高和優(yōu)先級相等的運算符，直到一個比它優(yōu)先級低的或者遇到了一個左括號為止。
* ·當(dāng)掃描的中綴表達(dá)式結(jié)束時，棧中的的所有運算符出棧；
*
* @param expression
* @return
*/
public String infix2Suffix(String expression) {
if (expression == null) return null;
Stack<Character> stack = new Stack<Character>();
char[] chs = expression.toCharArray();
StringBuilder sb = new StringBuilder(chs.length);
boolean appendSeparator = false;
boolean sign = true;
for (int i = 0; i < chs.length; i++) {
char c = chs[i];
// 空白則跳過
if (c == BLANK)continue;
// Next line is used output stack information.
// System.out.printf("%-20s %s%n", stack, sb.toString());
// 添加后綴表達(dá)式分隔符
if (appendSeparator) {
sb.append(SEPARATOR);
appendSeparator = false;
}
if (isSign(c) && sign) {
sb.append(c);
} else if (isNumber(c)) {
sign = false;// 數(shù)字后面不是正號或負(fù)號，而是操作符+-
sb.append(c);
} else if (isLeftBracket(c)) {
stack.push(c);
} else if (isRightBracket(c)) {
sign = false;
// 如果為)，則彈出(上面的所有操作符，并添加到后綴表達(dá)式中，并彈出(
while (stack.peek() != LEFT_BRACKET) {
sb.append(SEPARATOR).append(stack.pop());
}
stack.pop();
} else {
appendSeparator = true;
if (Operator.isOperator(c)) {
sign = true;
// 若為(則入棧
if (stack.isEmpty() || stack.peek() == LEFT_BRACKET) {
stack.push(c);
continue;
}
int precedence = Operator.getPrority(c);
while (!stack.isEmpty() && Operator.getPrority(stack.peek()) >= precedence) {
sb.append(SEPARATOR).append(stack.pop());
}
stack.push(c);
}
}
}
while (!stack.isEmpty()) {
sb.append(SEPARATOR).append(stack.pop());
}
return sb.toString();
}
/**
* 判斷某個字符是否是正號或者負(fù)號
*
* @param c
* @return
*/
private boolean isSign(char c) {
return (c == NEGATIVE_SIGN || c == POSITIVE_SIGN);
}
/**
* 判斷某個字符是否為數(shù)字或者小數(shù)點
*
* @param c
* @return
*/
private boolean isNumber(char c) {
return ((c >= '0' && c <= '9') || c == DECIMAL_POINT);
}
/**
* 判斷某個字符是否為左括號
*
* @param c
* @return
*/
private boolean isLeftBracket(char c) {
return c == LEFT_BRACKET;
}
/**
* 判斷某個字符是否為右括號
*
* @param c
* @return
*/
private boolean isRightBracket(char c) {
return c == RIGHT_BRACKET;
}
最后把操作符類貼上
復(fù)制代碼 代碼如下:
View Code
public abstract class Operator {
/**
* 運算符
*/
private char operator;
/**
* 運算符的優(yōu)先級別，數(shù)字越大，優(yōu)先級別越高
*/
private int priority;
private static Map<Character, Operator> operators = new HashMap<Character, Operator>();
private Operator(char operator, int priority) {
setOperator(operator);
setPriority(priority);
register(this);
}
private void register(Operator operator) {
operators.put(operator.getOperator(), operator);
}
/**
* 加法運算
*/
public final static Operator ADITION = new Operator('+', 100) {
public BigDecimal eval(BigDecimal left, BigDecimal right) {
return left.add(right);
}
};
/**
* 減法運算
*/
public final static Operator SUBTRATION = new Operator('-', 100) {
public BigDecimal eval(BigDecimal left, BigDecimal right) {
return left.subtract(right);
}
};
/**
* 乘法運算
*/
public final static Operator MULTIPLICATION = new Operator('*', 200) {
public BigDecimal eval(BigDecimal left, BigDecimal right) {
return left.multiply(right);
}
};
/**
* 除法運算
*/
public final static Operator DIVITION = new Operator('/', 200) {
public BigDecimal eval(BigDecimal left, BigDecimal right) {
return left.divide(right);
}
};
/**
* 冪運算
*/
public final static Operator EXPONENT = new Operator('^', 300) {
public BigDecimal eval(BigDecimal left, BigDecimal right) {
return left.pow(right.intValue());
}
};
public char getOperator() {
return operator;
}
private void setOperator(char operator) {
this.operator = operator;
}
public int getPriority() {
return priority;
}
private void setPriority(int priority) {
this.priority = priority;
}
/**
* 根據(jù)某個運算符獲得該運算符的優(yōu)先級別
*
* @param c
* @return 運算符的優(yōu)先級別
*/
public static int getPrority(char c) {
Operator op = operators.get(c);
return op != null ? op.getPriority() : 0;
}
/**
* 工具方法，判斷某個字符是否是運算符
*
* @param c
* @return 是運算符返回 true，否則返回 false
*/
public static boolean isOperator(char c) {
return getInstance(c) != null;
}
public static boolean isOperator(String str) {
return str.length() > 1 ? false : isOperator(str.charAt(0));
}
/**
* 根據(jù)運算符獲得 Operator 實例
*
* @param c
* @return 從注冊中的 Operator 返回實例，尚未注冊返回 null
*/
public static Operator getInstance(char c) {
return operators.get(c);
}
public static Operator getInstance(String str) {
return str.length() > 1 ? null : getInstance(str.charAt(0));
}
/**
* 根據(jù)操作數(shù)進(jìn)行計算
*
* @param left
* 左操作數(shù)
* @param right
* 右操作數(shù)
* @return 計算結(jié)果
*/
public abstract BigDecimal eval(BigDecimal left, BigDecimal right);
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