中缀表达式的计算(栈的应用)

xiaoxiao2021-02-28  21

ArrayList和LinkedList的实现方式

ArrayList的底层实现是可以增长的数组,LinkedList的底层是使用了双链表。从底层实现来看,我们可以知道,ArrayList 获取元素的时间复杂度仅为常数,而 插入和 删除的时间复杂度都为线性时间复杂度O(n)。而LinkedList则刚好相反,因为底层是链表,所以 插入和 删除的时间复杂度为常数,而 获取元素的时间复杂度却是线性时间复杂度。

另外,ArrayList和LinkedList的contains和remove方法的时间复杂度都为线性时间复杂度O(n),对于contains方法来说,ArrayList和linkedList都需要遍历操作来实现contains方法,所以时间复杂度都是线性的;对于remove操作,ArrayList删除后需要移动元素,所以时间复杂度是线性的,而LinkedList的remove操作虽然是常数时间的,但是查找到元素的时间复杂度是线性的,所以,对已LinkedList的remove操作来说也是线性时间复杂的。

栈的运用–计算表达式的值

本章用Java来是实现一个计算含有+,-,*,\和括号的表达式的值,包括的知识点有:

Java语言中栈Stack和Queue的使用中缀表达式转后缀表达式的技巧计算后缀表达式的值

Java提供了栈的实现Stack对象,它继承了Vector类,底层实现是数组。Queue是一个Java队列接口,其中提供了队列必要的方法,而LinkedList实现了Queue接口,可以使用LinkedList来实现队列操作。例如:入队操作为add或insert方法,出队操作为 poll方法,获取队头的元素为peek方法。

中缀表达式是人们常用的算术表示方式,其标志是操作符处于操作数之间。而后缀表达式是操作符处于操作数之后,并且暗含的运算顺序,易于计算机进行计算。形象点的例子,例如1+2*3+(1+2)是中缀表达式,将其转换成后缀表达式为1, 2, 3, * , +, 1, 2, +, +。其转换过程如下:

输入:1

操作:将数字直接加入到结果队列

postfix(结果队列, 从队头到队尾):1

opStack(操作符队列,从栈底到栈顶,):空

输入:+

操作:因为opStack栈为空,所以将+号如操作符栈

postfix: 1

opStack: +

输入:2

操作:将数字直接加入结果队列

postfix: 1, 2

opStack: +

输入*

操作:因为*的计算优先级大于站定+号的优先级,所以入栈

postfix: 1,2

opStack: +,*

输入3

操作:数字直接入结果 队列

postfix: 1,2,3

opStack: +,*

输入+

操作:因为+号的优先级不大于栈顶的*,所以*弹栈并且放到结果队列中;此时栈顶的仍为+号,但是输入的+号的优先级不大于栈顶的+号,所以,栈顶的+号出栈;此时栈为空,所以当前的+号入栈

postfix: 1,2,3,*,+

opStack: +

输入(

操作:对于( 的输入来说,直接操作栈即可,也就是说( 在入栈前比任何操作符的优先级都大;而另一中特殊情况是如果栈顶元素是(, 那么只有)的输入才可以使其出栈,也就是或对于其他操作符来说,它们的优先级又比已经入栈的( 的优先级大。

postfix: 1,2,3,*,+

opStack: +,(

输入1

操作:直接加入结果队列

postfix: 1,2,3,*,+,1

opStack: +,(

输入+

操作:遇到栈顶为(, 所以直接+号入操作符栈

postfix: 1,2,3,*,+

opStack: +,(,+

输入2

操作:直接加入结果队列

postfix: 1,2,3,*,+,1,2

opStack: +,(,+

输入)

操作:对于)的输入,应该对操作符栈进行弹栈,直至遇到(, 弹栈才结束,这也就是说,)的在入栈前的优先级比其他操作的优先级都低。在假设表达式合法的前提下,不存在)处在栈顶的情况,)会和(一起出栈,但不会放入结果队列中。这一次,+号和(出栈,+号加入结果队列。

postfix:1,2,3,*,+,1,2,+

opStack:+

如果操作符栈不为空,全部弹出加入结果队列

postfix: 1,2,3,*,+,1,2,+,+

opStack: 空

计算表达式的值–Java版实现

接下来,我将要介绍一下我的小型计算器的实现,表达式的特征是包含+,-,*,/和(),并且数字是整数,可以是多位的。整个实现分为3大部分:

读取优先级列表中缀表达式转换成后缀表达式计算后缀表达式的值

当然了,最难的部分是第二步,下面一一介绍。

优先级列表

我是用一个文件来存储操作符和对应的优先级,每行存储一个,采用操作符-空格-优先级的方式,如下:+ 1

完整的优先级列表如下

+ 1 - 1 * 2 / 2

使用HashMap保存优先级列表,这里涉及了如何将一个char转化成一个int值的过程,我们使用了先将char转化成String,然后将String转化成Integer的方法

//读入优先级文件 Map<Character,Integer> priority=new HashMap<Character,Integer>(); BufferedReader breader=new BufferedReader(new FileReader("priority.txt")); String pline=breader.readLine(); while(pline!=null) { char[] plineChar=pline.toCharArray(); priority.put(plineChar[0], Integer.parseInt(String.valueOf(plineChar[2]))); pline=breader.readLine(); } System.out.println("优先级:"+priority); breader.close(); 中缀表达式转后缀表达式

因为数字是多位的,所以用了一个栈来numStack来记录数,并且使用一个静态方法拼接成一个整数。opStack< Character>是用来存储操作符的,postfix是用来存储转换好的后缀表达式的。整个过程如下:

//numStack用于存储存储操作数 Stack<Integer>numStack=new Stack<>(); //opStack用于存储操作符 Stack<Character>opStack=new Stack<>(); //postfix存储后缀表达式的, //其中有Integer和Character类型,所以用Object作为泛型参数 Queue<Object>postfix=new LinkedList<>(); Scanner scanner=new Scanner(System.in); String myExp=scanner.nextLine(); while(myExp!=null && !"end".equalsIgnoreCase(myExp)) { char[] charExp=myExp.toCharArray(); //System.out.println(charExp); for(char charitem:charExp) { switch (charitem) { case '1': case '2': case '3': case '4': case '5': case '6': case '7': case '8': case '9': case '0': numStack.push(Integer.parseInt(String.valueOf(charitem))); break; case '+': case '-': case '*': case '/': case '(':case ')': //在遇到操作符号之前弹出数字拼接 pushNumber2Result(numStack, postfix); if(opStack.isEmpty()) { opStack.push(charitem); }else { //对右括号特殊处理 if(charitem==')'&&!opStack.isEmpty()) { while(opStack.peek()!='(') { postfix.add(opStack.pop()); } //弹出左括号 opStack.pop(); }else if(charitem=='(') { opStack.push(charitem); }else { //对非括号的符号输入 //如果碰到左括号操作符号入栈 if(opStack.peek()=='(') { opStack.push(charitem); }else if(priority.get(charitem)>priority.get(opStack.peek())) { //如果下一个操作符的优先级大于栈顶的优先级, //压栈,此时栈顶一定有操作符 opStack.push(charitem); }else { //否则,出栈直至当前操作符入栈 //注意当栈不空的情况下比较 while(!opStack.isEmpty() && priority.get(charitem) <=priority.get(opStack.peek())) { postfix.add(opStack.pop()); } opStack.push(charitem); } } } } } pushNumber2Result(numStack, postfix); //注意剩余的操作符可能有多个 while(!opStack.isEmpty()) { postfix.add(opStack.pop()); } System.out.println(postfix);

其中,pushNumber2Result函数的定义如下:

public static void pushNumber2Result(Stack<Integer>numStack, Queue<Object>result) { int num=0; int base=1; while(!numStack.isEmpty()) { num=num+numStack.pop()*base; base=base*10; } //注意如果num!=0才添加进去 if(num!=0) result.add(num); }

几个值得注意的地方:

栈的循环操作注意判空

操作数的添加如果是0的话不应该添加

利用后缀表达式 计算表达式的值 numStack.clear(); while(!postfix.isEmpty()) { Object head=postfix.poll(); if(head instanceof Integer) { numStack.push((Integer)head); }else if(head instanceof Character){ Character op=(Character) head; int num2=numStack.pop(); int num1=numStack.pop(); switch(op) { case '+': numStack.push(num1+num2); break; case '-': numStack.push(num1-num2); break; case '*': numStack.push(num1*num2); break; case '/': numStack.push(num1/num2); break; } } } if(numStack.size()==1) { System.out.println("result:"+numStack.pop()); }else { System.out.println("计算出错!"); } 测试结果 优先级:{*=2, +=1, -=1, /=2} 1+2*3+(1*2) [1, 2, 3, *, +, 1, 2, *, +] result:9 1+2*4-5/(1+1) [1, 2, 4, *, +, 5, 1, 1, +, /, -] result:7

大功告成!

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