数据结构——基本计算器的实现
目录
一、不带括号的计算器
1.整体思想：
2.具体细节：
（1）字符串中有空格
（2）表达式开头可能是符号
（3）将数字放在第一个栈中
（4）出现“*”和“/”
（5）出现“+”和“-”
（6）完成运算
3.完整代码：
二、带括号的计算器
完整代码：
代码简化：
计算器是我们生活中经常会用到的物品，现在我们需要利用栈和队列的知识，来自己编写一个程序，来实现计算器的基本功能。
一、不带括号的计算器
在运算中，我们需要遵循运算符号的优先级，先乘除，后加减，有括号的先运算括号里面的。由此可见，在加上括号后，难度会有点儿大，所以我们现在先完成不带括号的计算器，后面在实现带括号的计算器。
1.整体思想：
表达式以字符串形式给予的，所以我们需要在字符上进行操作。我们可以创建两个栈，一个用来存放数据元素，一个用来存放符号元素。在符号栈里面获取到符号后，将数据栈里面的两个元素出栈进行操作，然后再放回到数据栈里面。如此操作，最后便能得到这个表达式的运算结果。
2.具体细节：
在代码实现的过程中，会出现一些问题，接下来我会一一解答并附上解决的代码。
（1）字符串中有空格
可以在所有运算前，将字符串里的所有空格删除或替换。（replace（）方法来替换字符串里的空格）
String s = "1+2 / 5";
s = s.replace(" ", "");
//s="1+2/5"（2）表达式开头可能是符号
在字符串前加一个"0"（如果是"-"开头，在运算时，没有与之匹配的前一项数据元素，会有报错）
String s="-1+2";
s = '0' + s;
//s="0-1+2"（3）将数字放在第一个栈中
数字可能会不止一位，所以我们需要判断数字的位数，然后再进行存放
char c = s.charAt(i);//循环得到字符串的每一个字符
if (c >= '0' && c <= '9') {//判断字符是不是数字
int x = 0;
while (i < s.length() && s.charAt(i) >= '0' && s.charAt(i) <= '9') {
/*
循环遍历，如果下一个字符依旧是数字，就将前面的字符乘10作为上一位，加后面的字符
-"0"是为了将字符转为数字（减的是ASKII码值，例如"0"-"0"就是0的ASKII减去0的ASKII，得到的数也就是0）
*/
x = x * 10 + s.charAt(i++) - '0';//得到多位数的数字
}
i--;//在判断是否为数字时得到的字符会多加一位，会出现跳过下一个字符的情况，所以要对索引进行减1的操作
stack1.push(x);
}（4）出现“*”和“/”
乘除需要先进行运算，运算时需要获取后面的元素和刚刚入栈的元素。在获取后面的元素时也需要进行判断元素的位数，才能进行运算。
if (i > 0 && (c == '*' || c == '/')) {
int num1 = stack1.pop();
int num2 = 0;
while (i + 1 < s.length() && (s.charAt(i + 1) == ' ')) {
i++;
}
int temp = 0;
while (i + 1 < s.length() && s.charAt(i + 1) >= '0' && s.charAt(i + 1) <= '9') {
temp = temp * 10 + s.charAt(i + 1) - '0';
i++;
}
num2 = temp;
if (c == '*') {
stack1.push(num1 * num2);
} else {
stack1.push(num1 / num2);
}
}（5）出现“+”和“-”
加减运算的优先级没有乘除高，但是加减是平级的，所以运算是从左到右运算。具体实现是：如果符号栈里面没有元素，就先将获取的“+”或“-”存放到栈中，如果有元素，则先将元素出栈，进行运算后，放到数据栈中，再将刚刚得到的“+”或“-”符号存放到栈中，等待下一次的判断。
if (c == '+' || c == '-') {
while (!stack2.isEmpty()) {
char op = stack2.pop();
int num1 = stack1.pop();
int num2 = stack1.pop();
if (op == '+') {
stack1.push(num1 + num2);
} else {
stack1.push(num2 - num1);
}
}
stack2.push(c);
}（6）完成运算
在整个字符串遍历完后，如果符号栈中没有元素了，则返回数据栈中的那个唯一的元素，就是表达式的值，如果符号栈中还有元素，则进行最后的运算，得到的值进行返回即可
while (!stack2.isEmpty()) {
char op = stack2.pop();
int num1 = stack1.pop();
int num2 = stack1.pop();
if (op == '+') {
stack1.push(num1 + num2);
} else {
stack1.push(num2 - num1);
}
}
return stack1.pop();3.完整代码：
package com.algo.lesson.lesson02;
import java.util.Stack;
public class Solution_227 {
public static void main(String[] args) {
String s = "1*2-3/4+5*6-7*8+9/10";
Solution_227 solution_227 = new Solution_227();
System.out.println(solution_227.calculate(s));
}
public int calculate(String s) {
int n = 0;
Stack stack1 = new Stack<>();
Stack stack2 = new Stack<>();
s = '0' + s;
s = s.replace(" ", "");
for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
char c = s.charAt(i);
if (c >= '0' && c <= '9') {
int x = 0;
while (i < s.length() && s.charAt(i) >= '0' && s.charAt(i) <= '9') {
x = x * 10 + s.charAt(i++) - '0';
}
i--;
stack1.push(x);
}
if (i > 0 && (c == '*' || c == '/')) {
int num1 = stack1.pop();
int num2 = 0;
while (i + 1 < s.length() && (s.charAt(i + 1) == ' ')) {
i++;
}
int temp = 0;
while (i + 1 < s.length() && s.charAt(i + 1) >= '0' && s.charAt(i + 1) <= '9') {
temp = temp * 10 + s.charAt(i + 1) - '0';
i++;
}
num2 = temp;
if (c == '*') {
stack1.push(num1 * num2);
} else {
stack1.push(num1 / num2);
}
}
if (c == '+' || c == '-') {
while (!stack2.isEmpty()) {
char op = stack2.pop();
int num1 = stack1.pop();
int num2 = stack1.pop();
if (op == '+') {
stack1.push(num1 + num2);
} else {
stack1.push(num2 - num1);
}
}
stack2.push(c);
}
}
while (!stack2.isEmpty()) {
char op = stack2.pop();
int num1 = stack1.pop();
int num2 = stack1.pop();
if (op == '+') {
stack1.push(num1 + num2);
} else {
stack1.push(num2 - num1);
}
}
return stack1.pop();
}
}
二、带括号的计算器
不带括号的计算器已经完成了，只需要再添加一个判断括号的条件就行。
if (s.charAt(i + 1) == '(') {
int j = i + 2;
int count = 1;
while (count != 0) {
j++;
if (s.charAt(j) == '(') {
count++;
} else if (s.charAt(j) == ')') {
count--;
}
}
num2 = calculate(s.substring(i + 2, j));
i = j;
}完整代码：
package com.algo.lesson.lesson02;
import java.util.Stack;
public class Solution_227 {
public static void main(String[] args) {
String s = "1*2-3/4+5*6-7*8+9/10";
Solution_227 solution_227 = new Solution_227();
System.out.println(solution_227.calculate(s));
}
public int calculate(String s) {
int n = 0;
Stack stack1 = new Stack<>();
Stack stack2 = new Stack<>();
s = '0' + s;
s = s.replace(" ", "");
for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
char c = s.charAt(i);
if (c >= '0' && c <= '9') {
int x = 0;
while (i < s.length() && s.charAt(i) >= '0' && s.charAt(i) <= '9') {
x = x * 10 + s.charAt(i++) - '0';
}
i--;
stack1.push(x);
} else if (c == '+' || c == '-' || c == '(') {
stack2.push(c);
} else if (c == ')') {
while (stack2.peek() != '(') {
char op = stack2.pop();
int num1 = stack1.pop();
int num2 = stack1.pop();
if (op == '+') {
stack1.push(num1 + num2);
} else {
stack1.push(num2 - num1);
}
}
stack2.pop(); // 弹出左括号
} else if (c == '*' || c == '/') {
while (!stack2.isEmpty()) {
char op = stack2.pop();
int num1 = stack1.pop();
int num2 = stack1.pop();
if (op == '+') {
stack1.push(num1 + num2);
} else {
stack1.push(num2 - num1);
}
}
stack2.push(c);
}
}
while (!stack2.isEmpty()) {
char op = stack2.pop();
int num1 = stack1.pop();
int num2 = stack1.pop();
if (op == '+') {
stack1.push(num1 + num2);
} else {
stack1.push(num2 - num1);
}
}
return stack1.pop();
}
}
代码简化：
只使用一个栈就可以实现，一些判断方法也可以直接调用Java中的方法。
感兴趣的可以自行阅读：
public class Solution {
public int calculate(String s) {
int result = 0;
int num = 0;
int sign = 1;
Stack stack = new Stack<>();
for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
char c = s.charAt(i);
if (Character.isDigit(c)) {
num = num * 10 + (c - '0');
} else if (c == '+' || c == '-') {
result += sign * num;
num = 0;
sign = (c == '+') ? 1 : -1;
} else if (c == '(') {
stack.push(result);
stack.push(sign);
result = 0;
sign = 1;
} else if (c == ')') {
result += sign * num;
num = 0;
result *= stack.pop();
result += stack.pop();
}
}
result += sign * num;
return result;
}
} 以上就是Java利用栈来实现计算器的代码，在LeetCode中也有相对应的题目，感兴趣的可以前往相应题目看一看：
力扣（LeetCode）官网 - 全球极客挚爱的技术成长平台（不带括号的计算器）
力扣（LeetCode）官网 - 全球极客挚爱的技术成长平台（带括号的计算器）