JAVA四则运算字符串解释器

最近学习到后缀表达式,于是基于后缀表达式的思想,写了一个四则运算解释器,输入字符串类型的四则运算表达式,可以直接得到结果,支持括号嵌套. 
实现时主要考虑以下两点:

• 字符串中运算符和数字分离
• 运算符优先级
• 括号的嵌套

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1. 运算符和数字分离:可以考虑用字符串数组存储
2. 关于运算符优先级,最开始的想法是将乘除法看作一类,加减法看作一类,乘除法的优先级大于加减法,相同类型的运算符按照从左到右顺序依次计算.
3. 括号的嵌套:由于括号内部本身也是表达式,因此可以使用递归处理,但重点在于括号的配对,由于使用递归,所以希望获取最大的嵌套单元.

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具体实现:

首先实现运算符识别的代码,判断一个字符是否为运算符:

public static boolean opjudge(char c) {
        if (c == '+' || c == '-' || c == '*' || c == '/' || c == '(' || c == ')')
            return true;
        else
            return false;
    }

然后实现字符串表达式转为字符串数组, 由于要求输入的字符串运算符和数字之间没有空格,所以直接拆分不方便,而且运算符和数字的数目不确定,因此先使用ArrayList存储,然后再转成字符串数组,主要方法是遍历字符串中每一个字符并判断是否为运算符,如果是运算符,则直接将运算符转为字符串加入ArrayList,如果不是,则从此位置继续查找到下一个运算符出现的位置,两个位置之间即为操作数,使用substring截取字符串存入Arraylist,具体实现如下:

public static String[] convert(String s) {
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            if (!opjudge(s.charAt(i))) {
                int j = i;
                while ((i < s.length()) && !opjudge(s.charAt(i)))
                    i++;
                arrayList.add(s.substring(j, i));
                i--;
            } else
                arrayList.add(String.valueOf(s.charAt(i)));
        }

        return arrayList.toArray(new String[arrayList.size()]);

    }

然后对运算符进行分类和分级,加减法视作一类,乘除法视作一类,乘除法优先级高于加减法:

 public static int opvalue(String s) {
        switch (s) {
        case "+":
        case "-":
            return 1;
        case "*":
        case "/":
            return 2;
        default:
            return -1;
        }

    }

运算符优先级的比较,左边大于右边则返回true,( 两个运算符相等返回false)

 public static boolean opcompare(String s1, String s2) {
        if (opvalue(s1) > opvalue(s2))
            return true;
        else {
            return false;
        }

    }

括号内字符串的获取: 
由于括号都是成对出现,要从左至右获取第一个最长的括号表达式,则从左至右遍历字符串时,当右括号 ‘)’ 出现的数目等于左括号’(’ 时,即为所求,此处使用计数器实现,返回的是字符串中从k位置(第k个元素，一个数字算一个元素 )开始第一个带完整括号的子串,比如输入bracketGet(“(8-(2+3))*2+(5+7)*3”,0),返回8-(2+3):

public static String bracketGet(String s, int k) {
        int m=0;
        int i;
        String[] arr=convert(s);
        for(i=k;i<arr.length;i++){
            if(arr[i].equals("(")){
                m++;
                continue;
                }
            if(arr[i].equals(")")){
                m--;
                if(m==0)
                    break;
                else
                    continue;
            }

        }
        StringBuilder sb=new StringBuilder();
        for(int j=k+1;j<i;j++){
            sb.append(arr[j]);
        }
        return sb.toString();
    }

以上都是需要用到的配件,下面将利用上面写好的函数实现四则运算字符串的解析和运算,基本思想是使用两个栈,一个存储数字,一个存储运算符,先考虑没有括号的简单情况: 
遍历字符串数组: 
1.当前元素为操作数时,入数字栈 
2.当前元素为运算符时:

• 如果运算符栈为空,则入运算符栈
• 如果运算符栈不空,则比较当前运算符和栈顶运算符优先级(按照之前定义的优先级,乘除大于加减,乘除相同,加减相同):如果当前运算符优先级大于栈顶运算符,则当前运算符入栈;反之,如果当前运算符优先级等于或小于栈顶运算符,则将栈顶运算符出栈,同时数字栈中出栈两个数字参与运算,结果压入数字栈中,然后当前运算符入栈;
• 最后将运算符栈中所有元素依次出栈,数字栈中相应将数字出栈参与运算得到结果并压入栈中;
• 最后返回数字栈中栈顶元素即为表达式结果.
• 有括号时括号内的运算步骤同上,可以获取括号内部的字符串,使用递归计算; 
  代码如下:

• public static int caculate(String formula) {
          String[] arr = convert(formula);
          Stack<Integer> val = new Stack<>();
          Stack<String> op = new Stack<>();
  
          for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
              if (arr[i].equals("(")) {
                  val.push(caculate(bracketGet(formula, i)));//递归计算括号内部的值,并将该值入栈
                  i = i + bracketGet(formula, i).length() + 1;//括号串所在的位置遍历过,i需要跳过该段
              } else {
                  if (arr[i].equals("+") || arr[i].equals("-") || arr[i].equals("*") || arr[i].equals("/")) {
                      if (op.isEmpty())
                          op.push(arr[i]);
                      else if (opcompare(arr[i], op.lastElement())) {
                          op.push(arr[i]);
                      } else {
  
                          switch (op.pop()) {
                          case "+":
                              val.push(val.pop() + val.pop());
                              break;
                          case "-":
                              int c = val.pop();
                              int d = val.pop();  
                              val.push(d-c);//减法,pop的顺序从右至左,所以需要先取出元素
                              break;
                          case "*":
                              val.push(val.pop() * val.pop());
                              break;
                          case "/":
                              int a = val.pop();
                              int b = val.pop();
                              val.push(b / a);//同减法
                              break;
                          default:
                              break;
                          }
                          op.push(arr[i]);
                      }
                  } else
                      val.push(Integer.parseInt(arr[i]));
              }
          }
          while (!op.isEmpty()) {
              switch (op.pop()) {
              case "+":
                  val.push(val.pop() + val.pop());
                  break;
              case "-":
                  int c = val.pop();
                  int d = val.pop();
                  val.push(d-c);
                  break;
              case "*":
                  val.push(val.pop() * val.pop());
                  break;
              case "/":
                  int a = val.pop();
                  int b = val.pop();
                  val.push(b / a);
                  break;
              default:
                  break;
              }
          }
  
          return val.pop();
      }
  System.out.println(caculate("(((8-(2+3))*2+(5+7)*3))"));
  输出:42 正确

  以上实现是使用int类型,除法可能会不准确,改为double会准确

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  后面又发现上面的实现方法仍然有冗余之处,下面是改进的代码,主要是优化了运算符的优先级,依次为 除法 乘法 减法 加法 依次降低, 遍历到运算符时,优先级高才入栈, 否则将栈中运算符出栈参与运算,直到栈空或 栈顶运算符优先级低于遍历到的运算符,才将该运算符入栈. 
  主要改动的是opjudge(),opcompare(), caculate()中少量改动,其余代码同上; 
  具体代码如下:

• public static int opvalue2(String s) {
          switch (s) {
          case "+":
              return 1;
          case "-":
              return 2;
          case "*":
              return 3;
          case "/":
              return 4;
          default:
              return -1;
          }
      }

  public static boolean opcompare2(String s1, String s2) {
          if (opvalue2(s1) >= opvalue2(s2))
              return true;
          else {
              return false;
          }
      }

  public static double caculate2(String formula) {
          String[] arr = convert(formula);
          Stack<Double> val = new Stack<>();
          Stack<String> op = new Stack<>();
  
          for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
              if (arr[i].equals("(")) {
                  val.push(caculate2(bracketGet(formula, i)));
                  i = i + bracketGet(formula, i).length() + 1;
              } else if (arr[i].equals("+") || arr[i].equals("-") || arr[i].equals("*") || arr[i].equals("/")) {
                          while (!op.isEmpty() && opcompare2(op.lastElement(), arr[i])) {
                              switch (op.pop()) {
                              case "+":
                                  val.push(val.pop() + val.pop());
                                  continue;
                              case "-":
                                  double c = val.pop();
                                  double d = val.pop();
                                  val.push(d - c);
                                  continue;
                              case "*":
                                  val.push(val.pop() * val.pop());
                                  continue;
                              case "/":
                                  double a = val.pop();
                                  double b = val.pop();
                                  val.push(b / a);
                                  continue;
                              default:
                                  break;
                              }
                          }
                          op.push(arr[i]);        
                  } 
                  else
                      val.push(Double.parseDouble(arr[i]));
          }
          while (!op.isEmpty()) {
              switch (op.pop()) {
              case "+":
                  val.push(val.pop() + val.pop());
                  break;
              case "-":
                  double c = val.pop();
                  double d = val.pop();
                  val.push(d - c);
                  break;
              case "*":
                  val.push(val.pop() * val.pop());
                  break;
              case "/":
                  double a = val.pop();
                  double b = val.pop();
                  val.push(b / a);
                  break;
              default:
                  break;
              }
          }
          return val.pop();
      }

  运算实例:

• public static void main(String[] args) {
          double a=(1+2*(3.0/2)/(2+8)-(2*6.0)/(1+7))-(21+3*(5-2-(7*(4-3))));
          System.out.println(a);
          System.out.println(caculate2("(1+2*(3/2)/(2+8)-(2*6)/(1+7))-(21+3*(5-2-(7*(4-3))))"));
      }
  //output:
  -9.2
  -9.2

  至此,完成了四则运算字符串解释器,还有很多可以完善, 比如异常的处理,以及代码的简洁性,作为一个初学者,如果能被看到的话,希望多提建议:

  完整版代码如下:

• import java.util.ArrayList;
  import java.util.Stack;
  
  public class Main {
  
      public static void main(String[] args) {
          double a=(1+2*(3.0/2)/(2+8)-(2*6.0)/(1+7))-(21+3*(5-2-(7*(4-3))));
          System.out.println(a);
          System.out.println(caculate2("(1+2*(3/2)/(2+8)-(2*6)/(1+7))-(21+3*(5-2-(7*(4-3))))"));
      }
  
      //对运算符优先级进一步排序  减法大于加法   除法大于乘法  
      public static double caculate2(String formula) {
          String[] arr = convert(formula);
          Stack<Double> val = new Stack<>();
          Stack<String> op = new Stack<>();
  
          for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
              if (arr[i].equals("(")) {
                  val.push(caculate2(bracketGet(formula, i)));
                  i = i + bracketGet(formula, i).length() + 1;
              } else if (arr[i].equals("+") || arr[i].equals("-") || arr[i].equals("*") || arr[i].equals("/")) {
                          while (!op.isEmpty() && opcompare2(op.lastElement(), arr[i])) {
                              switch (op.pop()) {
                              case "+":
                                  val.push(val.pop() + val.pop());
                                  continue;
                              case "-":
                                  double c = val.pop();
                                  double d = val.pop();
                                  val.push(d - c);
                                  continue;
                              case "*":
                                  val.push(val.pop() * val.pop());
                                  continue;
                              case "/":
                                  double a = val.pop();
                                  double b = val.pop();
                                  val.push(b / a);
                                  continue;
                              default:
                                  break;
                              }
                          }
                          op.push(arr[i]);        
                  } 
                  else
                      val.push(Double.parseDouble(arr[i]));
          }
          while (!op.isEmpty()) {
              switch (op.pop()) {
              case "+":
                  val.push(val.pop() + val.pop());
                  break;
              case "-":
                  double c = val.pop();
                  double d = val.pop();
                  val.push(d - c);
                  break;
              case "*":
                  val.push(val.pop() * val.pop());
                  break;
              case "/":
                  double a = val.pop();
                  double b = val.pop();
                  val.push(b / a);
                  break;
              default:
                  break;
              }
          }
          return val.pop();
      }
  
  public static String bracketGet(String s, int k) {
          int m=0;
          int i;
          String[] arr=convert(s);
          for(i=k;i<arr.length;i++){
              if(arr[i].equals("(")){
                  m++;
                  continue;
                  }
              if(arr[i].equals(")")){
                  m--;
                  if(m==0)
                      break;
                  else
                      continue;
              }
          }
          StringBuilder sb=new StringBuilder();
          for(int j=k+1;j<i;j++){
              sb.append(arr[j]);
          }
          return sb.toString();
      }
  
  public static String[] convert(String s) {
          ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
          for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
              if (!opjudge(s.charAt(i))) {
                  int j = i;
                  while ((i < s.length()) && !opjudge(s.charAt(i)))
                      i++;
                  arrayList.add(s.substring(j, i));
                  i--;
              } else
                  arrayList.add(String.valueOf(s.charAt(i)));
          }
          return arrayList.toArray(new String[arrayList.size()]);
      }
  
      public static boolean opjudge(char c) {
      if (c == '+' || c == '-' || c == '*' || c == '/' || c == '(' || c == ')')
          return true;
      else
          return false;
  }
  
      public static int opvalue2(String s) {
          switch (s) {
          case "+":
              return 1;
          case "-":
              return 2;
          case "*":
              return 3;
          case "/":
              return 4;
          default:
              return -1;
          }
      }
  
      public static boolean opcompare2(String s1, String s2) {
          if (opvalue2(s1) >= opvalue2(s2))
              return true;
          else {
              return false;
          }
      }

最近学习到后缀表达式,于是基于后缀表达式的思想,写了一个四则运算解释器,输入字符串类型的四则运算表达式,可以直接得到结果,支持括号嵌套. 
实现时主要考虑以下两点:

• 字符串中运算符和数字分离
• 运算符优先级
• 括号的嵌套

---

1. 运算符和数字分离:可以考虑用字符串数组存储
2. 关于运算符优先级,最开始的想法是将乘除法看作一类,加减法看作一类,乘除法的优先级大于加减法,相同类型的运算符按照从左到右顺序依次计算.
3. 括号的嵌套:由于括号内部本身也是表达式,因此可以使用递归处理,但重点在于括号的配对,由于使用递归,所以希望获取最大的嵌套单元.

---

具体实现:

首先实现运算符识别的代码,判断一个字符是否为运算符:

public static boolean opjudge(char c) {
        if (c == '+' || c == '-' || c == '*' || c == '/' || c == '(' || c == ')')
            return true;
        else
            return false;
    }

---

然后实现字符串表达式转为字符串数组, 由于要求输入的字符串运算符和数字之间没有空格,所以直接拆分不方便,而且运算符和数字的数目不确定,因此先使用ArrayList存储,然后再转成字符串数组,主要方法是遍历字符串中每一个字符并判断是否为运算符,如果是运算符,则直接将运算符转为字符串加入ArrayList,如果不是,则从此位置继续查找到下一个运算符出现的位置,两个位置之间即为操作数,使用substring截取字符串存入Arraylist,具体实现如下:

    public static String[] convert(String s) {
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            if (!opjudge(s.charAt(i))) {
                int j = i;
                while ((i < s.length()) && !opjudge(s.charAt(i)))
                    i++;
                arrayList.add(s.substring(j, i));
                i--;
            } else
                arrayList.add(String.valueOf(s.charAt(i)));
        }

        return arrayList.toArray(new String[arrayList.size()]);

   :

    public static void main(String[] args) {
        double a=(1+2*(3.0/2)/(2+8)-(2*6.0)/(1+7))-(21+3*(5-2-(7*(4-3))));
        System.out.println(a);
        System.out.println(caculate2("(1+2*(3/2)/(2+8)-(2*6)/(1+7))-(21+3*(5-2-(7*(4-3))))"));
    }
//output:
-9.2
-9    }

    //对运算符优先级进一步排序  减法大于加法   除法大于乘法  
    public static double caculate2(String formula) {
        String[] arr = convert(formula);
        Stack<Double> val = new Stack<>();
        Stack<String> op = new Stack<>();

        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            if (arr[i].equals("(")) {
                val.push(caculate2(bracketGet(formula, i)));
                i = i + bracketGet(formula, i).length() + 1;
            } else if (arr[i].equals("+") || arr[i].equals("-") || arr[i].equals("*") || arr[i].equals("/")) {
                        while (!op.isEmpty() && opcompare2(op.lastElement(), arr[i])) {
                            switch (op.pop()) {
                            case "+":
                                val.push(val.pop() + val.pop());
                                continue;
                            case "-":
                                double c = val.pop();
                                double d = val.pop();
                                val.push(d - c);
                                continue;
                            case "*":
                                val.push(val.pop() * val.pop());
                                continue;
                            case "/":
                                double a = val.pop();
                                double b = val.pop();
                                val.push(b / a);
                                continue;
                            default:
                                break;
                            }
                        }
                        op.push(arr[i]);        
                } 
                else
                    val.push(Double.parseDouble(arr[i]));

        }
        while (!op.isEmpty()) {
            switch (op.pop()) {
            case "+":
                val.push(val.pop() + val.pop());
                break;
            case "-":
                double c = val.pop();
                double d = val.pop();
                val.push(d - c);
                break;
            case "*":
                val.push(val.pop() * val.pop());
                break;
            case "/":
                double a = val.pop();
                double b = val.pop();
                val.push(b / a);
                break;
            default:
                break;
            }
        }

        return val.pop();
    }

public static String bracketGet(String s, int k) {
        int m=0;
        int i;
        String[] arr=convert(s);
        for(i=k;i<arr.length;i++){
            if(arr[i].equals("(")){
                m++;
                continue;
                }
            if(arr[i].equals(")")){
                m--;
                if(m==0)
                    break;
                else
                    continue;
            }

        }
        StringBuilder sb=new StringBuilder();
        for(int j=k+1;j<i;j++){
            sb.append(arr[j]);
        }
        return sb.toString();
    }

public static String[] convert(String s) {
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            if (!opjudge(s.charAt(i))) {
                int j = i;
                while ((i < s.length()) && !opjudge(s.charAt(i)))
                    i++;
                arrayList.add(s.substring(j, i));
                i--;
            } else
                arrayList.add(String.valueOf(s.charAt(i)));
        }

        return arrayList.toArray(new String[arrayList.size()]);

    }

    public static boolean opjudge(char c) {
    if (c == '+' || c == '-' || c == '*' || c == '/' || c == '(' || c == ')')
        return true;
    else
        return false;
}

    public static int opvalue2(String s) {
        switch (s) {
        case "+":
            return 1;
        case "-":
            return 2;
        case "*":
            return 3;
        case "/":
            return 4;
        default:
            return -1;
        }

    }

    public static boolean opcompare2(String s1, String s2) {
        if (opvalue2(s1) >= opvalue2(s2))
            return true;
        else {
            return false;
        }