順序棧應用-字首、中綴、字尾表示式
阿新 • • 發佈:2019-01-05
轉載自 http://blog.csdn.net/antineutrino/article/details/6763722/
關鍵字:概念, 字首表示式, 字首記法, 中綴表示式, 中綴記法, 波蘭式, 字尾表示式, 字尾記法, 逆波蘭式
它們都是對錶達式的記法,因此也被稱為字首記法、中綴記法和字尾記法。它們之間的區別在於運算子相對與運算元的位置不同:字首表示式的運算子位於與其相關的運算元之前;中綴和字尾同理。
舉例:
(3 + 4) × 5 - 6 就是中綴表示式
- × + 3 4 5 6 字首表示式
3 4 + 5 × 6 - 字尾表示式
中綴表示式(中綴記法)
中綴表示式是一種通用的算術或邏輯公式表示方法,操作符以中綴形式處於運算元的中間。中綴表示式是人們常用的算術表示方法。
雖然人的大腦很容易理解與分析中綴表示式,但對計算機來說中綴表示式卻是很複雜的,因此計算表示式的值時,通常需要先將中綴表示式轉換為字首或字尾表示式,然後再進行求值。對計算機來說,計算字首或字尾表示式的值非常簡單。
字首表示式(字首記法、波蘭式)
字首表示式的運算子位於運算元之前。
字首表示式的計算機求值:
從右至左掃描表示式,遇到數字時,將數字壓入堆疊,遇到運算子時,彈出棧頂的兩個數,用運算子對它們做相應的計算(棧頂元素 op 次頂元素),並將結果入棧;重複上述過程直到表示式最左端,最後運算得出的值即為表示式的結果。
例如字首表示式“- × + 3 4 5 6”:
(1) 從右至左掃描,將6、5、4、3壓入堆疊;
(2) 遇到+運算子,因此彈出3和4(3為棧頂元素,4為次頂元素,注意與字尾表示式做比較),計算出3+4的值,得7,再將7入棧;
(3) 接下來是×運算子,因此彈出7和5,計算出7×5=35,將35入棧;
(4) 最後是-運算子,計算出35-6的值,即29,由此得出最終結果。
可以看出,用計算機計算字首表示式的值是很容易的。
將中綴表示式轉換為字首表示式:
遵循以下步驟:
(1) 初始化兩個棧:運算子棧S1和儲存中間結果的棧S2;
(2) 從右至左掃描中綴表示式;
(3) 遇到運算元時,將其壓入S2;
(4) 遇到運算子時,比較其與S1棧頂運算子的優先順序:
(4-1) 如果S1為空,或棧頂運算子為右括號“)”,則直接將此運算子入棧;
(4-2) 否則,若優先順序比棧頂運算子的較高或相等,也將運算子壓入S1;
(4-3) 否則,將S1棧頂的運算子彈出並壓入到S2中,再次轉到(4-1)與S1中新的棧頂運算子相比較;
(5) 遇到括號時:
(5-1) 如果是右括號“)”,則直接壓入S1;
(5-2) 如果是左括號“(”,則依次彈出S1棧頂的運算子,並壓入S2,直到遇到右括號為止,此時將這一對括號丟棄;
(6) 重複步驟(2)至(5),直到表示式的最左邊;
(7) 將S1中剩餘的運算子依次彈出並壓入S2;
(8) 依次彈出S2中的元素並輸出,結果即為中綴表示式對應的字首表示式。
掃描到的元素 | S2(棧底->棧頂) | S1 (棧底->棧頂) | 說明 |
5 | 5 | 空 | 數字,直接入棧 |
- | 5 | - | S1為空,運算子直接入棧 |
) | 5 | - ) | 右括號直接入棧 |
4 | 5 4 | - ) | 數字直接入棧 |
× | 5 4 | - ) × | S1棧頂是右括號,直接入棧 |
) | 5 4 | - ) × ) | 右括號直接入棧 |
3 | 5 4 3 | - ) × ) | 數字 |
+ | 5 4 3 | - ) × ) + | S1棧頂是右括號,直接入棧 |
2 | 5 4 3 2 | - ) × ) + | 數字 |
( | 5 4 3 2 + | - ) × | 左括號,彈出運算子直至遇到右括號 |
( | 5 4 3 2 + × | - | 同上 |
+ | 5 4 3 2 + × | - + | 優先順序與-相同,入棧 |
1 | 5 4 3 2 + × 1 | - + | 數字 |
到達最左端 | 5 4 3 2 + × 1 + - | 空 | S1中剩餘的運算子 |
字尾表示式(字尾記法、逆波蘭式)
字尾表示式與字首表示式類似,只是運算子位於運算元之後。
字尾表示式的計算機求值:
與字首表示式類似,只是順序是從左至右:
從左至右掃描表示式,遇到數字時,將數字壓入堆疊,遇到運算子時,彈出棧頂的兩個數,用運算子對它們做相應的計算(次頂元素 op 棧頂元素),並將結果入棧;重複上述過程直到表示式最右端,最後運算得出的值即為表示式的結果。
例如字尾表示式“3 4 + 5 × 6 -”:
(1) 從左至右掃描,將3和4壓入堆疊;
(2) 遇到+運算子,因此彈出4和3(4為棧頂元素,3為次頂元素,注意與字首表示式做比較),計算出3+4的值,得7,再將7入棧;
(3) 將5入棧;
(4) 接下來是×運算子,因此彈出5和7,計算出7×5=35,將35入棧;
(5) 將6入棧;
(6) 最後是-運算子,計算出35-6的值,即29,由此得出最終結果。
將中綴表示式轉換為字尾表示式:
與轉換為字首表示式相似,遵循以下步驟:
(1) 初始化兩個棧:運算子棧S1和儲存中間結果的棧S2;
(2) 從左至右掃描中綴表示式;
(3) 遇到運算元時,將其壓入S2;
(4) 遇到運算子時,比較其與S1棧頂運算子的優先順序:
(4-1) 如果S1為空,或棧頂運算子為左括號“(”,則直接將此運算子入棧;
(4-2) 否則,若優先順序比棧頂運算子的高,也將運算子壓入S1(注意轉換為字首表示式時是優先順序較高或相同,而這裡則不包括相同的情況);
(4-3) 否則,將S1棧頂的運算子彈出並壓入到S2中,再次轉到(4-1)與S1中新的棧頂運算子相比較;
(5) 遇到括號時:
(5-1) 如果是左括號“(”,則直接壓入S1;
(5-2) 如果是右括號“)”,則依次彈出S1棧頂的運算子,並壓入S2,直到遇到左括號為止,此時將這一對括號丟棄;
(6) 重複步驟(2)至(5),直到表示式的最右邊;
(7) 將S1中剩餘的運算子依次彈出並壓入S2;
(8) 依次彈出S2中的元素並輸出,結果的逆序即為中綴表示式對應的字尾表示式(轉換為字首表示式時不用逆序)。
例如,將中綴表示式“1+((2+3)×4)-5”轉換為字尾表示式的過程如下:
掃描到的元素 | S2(棧底->棧頂) | S1 (棧底->棧頂) | 說明 |
1 | 1 | 空 | 數字,直接入棧 |
+ | 1 | + | S1為空,運算子直接入棧 |
( | 1 | + ( | 左括號,直接入棧 |
( | 1 | + ( ( | 同上 |
2 | 1 2 | + ( ( | 數字 |
+ | 1 2 | + ( ( + | S1棧頂為左括號,運算子直接入棧 |
3 | 1 2 3 | + ( ( + | 數字 |
) | 1 2 3 + | + ( | 右括號,彈出運算子直至遇到左括號 |
× | 1 2 3 + | + ( × | S1棧頂為左括號,運算子直接入棧 |
4 | 1 2 3 + 4 | + ( × | 數字 |
) | 1 2 3 + 4 × | + | 右括號,彈出運算子直至遇到左括號 |
- | 1 2 3 + 4 × + | - | -與+優先順序相同,因此彈出+,再壓入- |
5 | 1 2 3 + 4 × + 5 | - | 數字 |
到達最右端 | 1 2 3 + 4 × + 5 - | 空 | S1中剩餘的運算子 |
因此結果為“1 2 3 + 4 × + 5 -”(注意需要逆序輸出)。
編寫Java程式將一箇中綴表示式轉換為字首表示式和字尾表示式,並計算表示式的值。其中的toPolishNotation()方法將中綴表示式轉換為字首表示式(波蘭式)、toReversePolishNotation()方法則用於將中綴表示式轉換為字尾表示式(逆波蘭式):
注:
(1) 程式很長且註釋比較少,但如果將上面的理論內容弄懂之後再將程式編譯並執行起來,還是比較容易理解的。有耐心的話可以研究一下。(2) 此程式是筆者為了說明上述概念而編寫,僅做了簡單的測試,不保證其中沒有Bug,因此不要將其用於除研究之外的其他場合。
[java] view plain copy
- package qmk.simple_test;
- import java.util.Scanner;
- import java.util.Stack;
- /**
- * Example of converting an infix-expression to
- * Polish Notation (PN) or Reverse Polish Notation (RPN).
- * Written in 2011-8-25
- * @author QiaoMingkui
- */
- public class Calculator {
- public static final String USAGE = "== usage ==\n"
- + "input the expressions, and then the program "
- + "will calculate them and show the result.\n"
- + "input 'bye' to exit.\n";
- /**
- * @param args
- */
- public static void main(String[] args) {
- System.out.println(USAGE);
- Scanner scanner = new Scanner(System.in);
- String input = "";
- final String CLOSE_MARK = "bye";
- System.out.println("input an expression:");
- input = scanner.nextLine();
- while (input.length() != 0
- && !CLOSE_MARK.equals((input))) {
- System.out.print("Polish Notation (PN):");
- try {
- toPolishNotation(input);
- } catch (NumberFormatException e) {
- System.out.println("\ninput error, not a number.");
- } catch (IllegalArgumentException e) {
- System.out.println("\ninput error:" + e.getMessage());
- } catch (Exception e) {
- System.out.println("\ninput error, invalid expression.");
- }
- System.out.print("Reverse Polish Notation (RPN):");
- try {
- toReversePolishNotation(input);
- } catch (NumberFormatException e) {
- System.out.println("\ninput error, not a number.");
- } catch (IllegalArgumentException e) {
- System.out.println("\ninput error:" + e.getMessage());
- } catch (Exception e) {
- System.out.println("\ninput error, invalid expression.");
- }
- System.out.println("input a new expression:");
- input = scanner.nextLine();
- }
- System.out.println("program exits");
- }
- /**
- * parse the expression , and calculate it.
- * @param input
- * @throws IllegalArgumentException
- * @throws NumberFormatException
- */
- private static void toPolishNotation(String input)
- throws IllegalArgumentException, NumberFormatException {
- int len = input.length();
- char c, tempChar;
- Stack<Character> s1 = new Stack<Character>();
- Stack<Double> s2 = new Stack<Double>();
- Stack<Object> expression = new Stack<Object>();
- double number;
- int lastIndex = -1;
- for (int i=len-1; i>=0; --i) {
- c = input.charAt(i);
- if (Character.isDigit(c)) {
- lastIndex = readDoubleReverse(input, i);
- number = Double.parseDouble(input.substring(lastIndex, i+1));
- s2.push(number);
- i = lastIndex;
- if ((int) number == number)
- expression.push((int) number);
- else
- expression.push(number);
- } else if (isOperator(c)) {
- while (!s1.isEmpty()
- && s1.peek() != ')'
- && priorityCompare(c, s1.peek()) < 0) {
- expression.push(s1.peek());
- s2.push(calc(s2.pop(), s2.pop(), s1.pop()));
- }
- s1.push(c);
- } else if (c == ')') {
- s1.push(c);
- } else if (c == '(') {
- while ((tempChar=s1.pop()) != ')') {
- expression.push(tempChar);
- s2.push(calc(s2.pop(), s2.pop(), tempChar));
- if (s1.isEmpty()) {
- throw new IllegalArgumentException(
- "bracket dosen't match, missing right bracket ')'.");
- }
- }
- } else if (c == ' ') {
- // ignore
- } else {
- throw new IllegalArgumentException(
- "wrong character '" + c + "'");
- }
- }
- while (!s1.isEmpty()) {
- tempChar = s1.pop();
- expression.push(tempChar);
- s2.push(calc(s2.pop(), s2.pop(), tempChar));
- }
- while (!expression.isEmpty()) {
- System.out.print(expression.pop() + " ");
- }
- double result = s2.pop();
- if (!s2.isEmpty())
- throw new IllegalArgumentException("input is a wrong expression.");
- System.out.println();
- if ((int) result == result)
- System.out.println("the result is " + (int) result);
- else
- System.out.println("the result is " + result);
- }
- /**
- * parse the expression, and calculate it.
- * @param input
- * @throws IllegalArgumentException
- * @throws NumberFormatException
- */
- private static void toReversePolishNotation(String input)
- throws IllegalArgumentException, NumberFormatException {
- int len = input.length();
- char c, tempChar;
- Stack<Character> s1 = new Stack<Character>();
- Stack<Double> s2 = new Stack<Double>();
- double number;
- int lastIndex = -1;
- for (int i=0; i<len; ++i) {
- c = input.charAt(i);
- if (Character.isDigit(c) || c == '.') {
- lastIndex = readDouble(input, i);
- number = Double.parseDouble(input.substring(i, lastIndex));
- s2.push(number);
- i = lastIndex - 1;
- if ((int) number == number)
- System.out.print((int) number + " ");
- else
- System.out.print(number + " ");
- } else if (isOperator(c)) {
- while (!s1.isEmpty()
- && s1.peek() != '('
- && priorityCompare(c, s1.peek()) <= 0) {
- System.out.print(s1.peek() + " ");
- double num1 = s2.pop();
- double num2 = s2.pop();
- s2.push(calc(num2, num1, s1.pop()));
- }
- s1.push(c);
- } else if (c == '(') {
- s1.push(c);
- } else if (c == ')') {
- while ((tempChar=s1.pop()) != '(') {
- System.out.print(tempChar + " ");
- double num1 = s2.pop();
- double num2 = s2.pop();
- s2.push(calc(num2, num1, tempChar));
- if (s1.isEmpty()) {
- throw new IllegalArgumentException(
- "bracket dosen't match, missing left bracket '('.");
- }
- }
- } else if (c == ' ') {
- // ignore
- } else {
- throw new IllegalArgumentException(
- "wrong character '" + c + "'");
- }
- }
- while (!s1.isEmpty()) {
- tempChar = s1.pop();
- System.out.print(tempChar + " ");
- double num1 = s2.pop();
- double num2 = s2.pop();
- s2.push(calc(num2, num1, tempChar));
- }
- double result = s2.pop();
- if (!s2.isEmpty())
- throw new IllegalArgumentException("input is a wrong expression.");
- System.out.println();
- if ((int) result == result)
- System.out.println("the result is " + (int) result);
- else
- System.out.println("the result is " + result);
- }
- /**
- * calculate the two number with the operation.
- * @param num1
- * @param num2
- * @param op
- * @return
- * @throws IllegalArgumentException
- */
- private static double calc(double num1, double num2, char op)
- throws IllegalArgumentException {
- switch (op) {
- case '+':
- return num1 + num2;
- case '-':
- return num1 - num2;
- case '*':
- return num1 * num2;
- case '/':
- if (num2 == 0) throw new IllegalArgumentException("divisor can't be 0.");
- return num1 / num2;
- default:
- return 0; // will never catch up here
- }
- }
- /**
- * compare the two operations' priority.
- * @param c
- * @param peek
- * @return
- */
- private static int priorityCompare(char&