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[数据结构与算法]数据结构/栈/中缀表达式求值/简单表达式

原理

两个栈:1个操作数栈(存储数字),1个运算符栈(存储运算符+-*/)
运算符优先级比较:

  • 运算符栈空,入栈,i++
  • 等待入栈的运算符优先级高于栈顶运算符,入栈,i++
  • 等待入栈的运算符优先级等于栈顶运算符,出栈,运算结果入栈
  • 等待入栈的运算符优先级低于栈顶运算符,出栈,运算结果入栈

运算方式:运算结果=后栈操作数 出栈运算符 先出栈操作数

代码

package xcrj.stack;

import java.util.Scanner;

/**
 * 自然数0~9的加减乘除运算,不包括括号,a?b的运算结果要为整数
 */
public class SimpleInfixExpressionEvaluation {
    private static class StackOperator {
        private char[] operators;
        private int stackSize;
        // 初始栈顶
        private int top = -1;

        StackOperator(int stackSize) {
            this.stackSize = stackSize;
            this.operators = new char[stackSize];
        }

        public boolean isFull() {
            return top == this.stackSize - 1;
        }

        public boolean isEmpty() {
            return top == -1;
        }

        /**
         * 入栈
         */
        public void push(char operator) {
            if (this.isFull()) {
                System.out.println("栈满");
                return;
            }
            this.top++;
            this.operators[this.top] = operator;
        }

        /**
         * 出栈
         */
        public char pop() {
            if (this.isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("栈空");
            }
            char value = this.operators[this.top];
            this.top--;
            return value;
        }

        /**
         * 获取栈顶元素
         */
        public char peak() {
            if (this.isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("栈空");
            }
            return this.operators[this.top];
        }
    }

    private static class StackOperand {
        private int[] operands;
        private int stackSize;
        // 栈顶
        private int top = -1;

        StackOperand(int stackSize) {
            this.stackSize = stackSize;
            this.operands = new int[stackSize];
        }

        public boolean isFull() {
            return top == this.stackSize - 1;
        }

        public boolean isEmpty() {
            return top == -1;
        }

        /**
         * 入栈
         */
        public void push(int operand) {
            if (this.isFull()) {
                System.out.println("栈满");
                return;
            }
            this.top++;
            this.operands[this.top] = operand;
        }

        /**
         * 出栈
         */
        public int pop() {
            if (this.isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("栈空");
            }
            int value = this.operands[this.top];
            this.top--;
            return value;
        }

        /**
         * 获取栈顶元素
         */
        public int peak() {
            if (this.isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("栈空");
            }
            return this.operands[this.top];
        }
    }

    public static boolean isOperator(char v) {
        if ('+' == v) {
            return true;
        }
        if ('-' == v) {
            return true;
        }
        if ('*' == v) {
            return true;
        }
        if ('/' == v) {
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static boolean isOperand(char v) {
        // ASCII判断
        return v >= 48 && v <= 57;
    }

    /**
     * 获得运算符的优先级
     */
    public static int priority(char operator) {
        switch (operator) {
            case '-':
                return 1;
            case '+':
                return 2;
            case '/':
                return 3;
            case '*':
                return 4;
        }
        throw new RuntimeException("非法字符");
    }

    public static int compute(int a, char operator, int b) {
        switch (operator) {
            case '+':
                return a + b;
            case '-':
                return a - b;
            case '*':
                return a * b;
            case '/':
                return a / b;
        }
        throw new RuntimeException("非法运算符");
    }

    public static int infixExpressionEvaluation(char[] values) {
        int len = values.length;
        StackOperator stackOperator = new StackOperator(len);
        StackOperand stackOperand = new StackOperand(len);
        for (int i = 0; i < len; ) {
            char v = values[i];
            // +-*/
            if (isOperator(v)) {
                // 栈空入栈
                if (stackOperator.isEmpty()) {
                    stackOperator.push(v);
                    i++;
                    continue;
                }
                // 优先级高入栈
                if (priority(v) > priority(stackOperator.peak())) {
                    stackOperator.push(v);
                    i++;
                    continue;
                }
                // 优先级相等出栈
                if (priority(v) == priority(stackOperator.peak())) {
                    int b = stackOperand.pop();
                    char o = stackOperator.pop();
                    int a = stackOperand.pop();
                    int result = compute(a, o, b);
                    stackOperand.push(result);
                    continue;
                }
                // 优先级低出栈
                if (priority(v) < priority(stackOperator.peak())) {
                    int b = stackOperand.pop();
                    char o = stackOperator.pop();
                    int a = stackOperand.pop();
                    int result = compute(a, o, b);
                    stackOperand.push(result);
                    continue;
                }
            }
            // 0~9
            if (isOperand(v)) {
                // -48:0~9的自然数的ASCII码
                stackOperand.push(v - 48);
                i++;
            }
        }
        // 计算
        while (!stackOperator.isEmpty()) {
            // 输出结果
            int b = stackOperand.pop();
            // 出栈1个操作符
            char o = stackOperator.pop();
            // 出栈1个操作数
            int a = stackOperand.pop();
            // 返回计算结果
            int result = compute(a, o, b);
            stackOperand.push(result);
        }
        // 获得结果
        int result = stackOperand.pop();
        // 判断栈空
        if (!stackOperand.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("非法表达式");
        }
        return result;
    }


    public static void main(String[] args) {
        // 数组录入
        System.out.println("请输入1个表达式(自然数0~9的加减乘除运算,不包括括号,a?b的运算结果要为整数): ");
        System.out.println("示例:3*4+2/2-5");
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        String inputStr = s.nextLine();
        System.out.println("输入为:" + inputStr);
        char[] values = inputStr.toCharArray();
        int result = infixExpressionEvaluation(values);
        System.out.println("中缀表达式求值结果:" + result);
    }
}
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