227. 基本计算器 II Python

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一、题目描述

给你一个字符串表达式 s ，请你实现一个基本计算器来计算并返回它的值。

整数除法仅保留整数部分。

你可以假设给定的表达式总是有效的。所有中间结果将在 [-2^31, 2^31 - 1]的范围内。

注意：不允许使用任何将字符串作为数学表达式计算的内置函数，比如 eval() 。

示例 1

输入：s = "3+2*2"
输出：7

示例 2

输入：s = " 3/2 "
输出：1

示例 3

输入：s = " 3+5 / 2 "
输出：5

提示：
1 <= s.length <= 3 * 10^5
s 由整数和算符 ('+', '-', '*', '/') 组成，中间由一些空格隔开
s 表示一个 有效表达式
表达式中的所有整数都是非负整数，且在范围 [0, 2^31 - 1] 内
题目数据保证答案是一个 32-bit 整数

二、代码

代码如下：

class Solution:
    def calculate(self, s: str) -> int:
        def is_operator(char):
            return char in "+-*/^"

        def infix_to_postfix(expression):
            def precedence(operator):
                precedence_dict = {'+': 1, '-': 1, '*': 2, '/': 2, '^': 3}
                return precedence_dict.get(operator, 0)

            def infix_to_postfix_internal(expression_tokens):
                output = []
                operator_stack = []

                for token in expression_tokens:
                    if token.isnumeric():  # 如果是数字，直接添加到输出
                        output.append(token)
                    elif token == '(':  # 如果是左括号，压入栈
                        operator_stack.append(token)
                    elif token == ')':  # 如果是右括号，将栈顶的操作符弹出并添加到输出，直到遇到左括号
                        while operator_stack and operator_stack[-1] != '(':
                            output.append(operator_stack.pop())
                        if operator_stack and operator_stack[-1] == '(':
                            operator_stack.pop()
                    elif is_operator(token):  # 如果是操作符，处理操作符的优先级
                        while (operator_stack and
                            operator_stack[-1] != '(' and
                            precedence(token) <= precedence(operator_stack[-1])):
                            output.append(operator_stack.pop())
                        operator_stack.append(token)

                while operator_stack:  # 将栈中剩余的操作符全部添加到输出
                    output.append(operator_stack.pop())

                return ' '.join(output)

            # 将输入的表达式字符串按空格分割成标记列表
            expression_tokens = expression.split()
            # 调用内部函数进行转换
            postfix_expression = infix_to_postfix_internal(expression_tokens)
            return postfix_expression

        def add_spaces_to_infix(expression):
            operators = "+-*/^"
            result = []

            for char in expression:
                if char in operators or char in "()":
                    result.append(f" {char} ")
                else:
                    result.append(char)

            return ''.join(result)

        infix_expression = s.replace(" ", "")
        print(infix_expression)
        spaced_infix_expression = add_spaces_to_infix(infix_expression)
        print(spaced_infix_expression)
        postfix_expression = infix_to_postfix(spaced_infix_expression)
        print("中缀表达式:", spaced_infix_expression)
        print("后缀表达式:", postfix_expression)

        stack = []

        for token in postfix_expression.split():
            if token.isnumeric():
                stack.append(int(token))
            elif is_operator(token):
                operand2 = stack.pop()
                operand1 = stack.pop()
                if token == '+':
                    result = operand1 + operand2
                elif token == '-':
                    result = operand1 - operand2
                elif token == '*':
                    result = operand1 * operand2
                elif token == '/':
                    if operand2 == 0:
                        raise ValueError("Division by zero")
                    result = int(operand1 / operand2)
                stack.append(result)

        print(int(stack[0]))
        return int(stack[0])

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三、解题思路

本题本质是要求通过字符串来计算表达式，且不能直接使用eval方法对字符串直接进行转化计算。本题解题思路为：将字符串（前缀表达式）转化为后缀表达式，然后通过计算后缀表达式得到结果。
① 因为涉及到字符可能会出现2位数及其以上的情况，如果之间转化为后缀表达式，则会导致数字连接到一块，所以需要对数字和运算符进行分隔，将表达式转化为如下格式：“12+4/5” => “12 + 4 / 5”
② 转化为后缀表达式，当遇到2位数及以上的数字时，需要将其看做是一个数，用空格分隔不同数。例如：
中缀表达式: 12 + 4 / 5
后缀表达式: 12 4 5 / +
不同的数之间用空格分开
③ 计算后缀表达式，找第一个运算符，向左找最近的2个数进行计算，重复这一过程，最后得到一个值返回即可。