要实现一个支持四则运算和括号的java计算器,核心步骤是先将中缀表达式转换为后缀表达式(逆波兰表达式),再对后缀表达式求值。1. 首先进行词法分析,将输入字符串拆分为有意义的词元,如数字、运算符和括号;2. 使用调度场算法(shunting-yard algorithm)将中缀表达式转为后缀表达式,利用栈处理操作符优先级和括号,确保运算顺序正确;3. 利用栈对后缀表达式求值,遇到数字入栈,遇到操作符则弹出两个数计算后将结果压入栈,最终栈中唯一元素即为结果。该方法有效解决了操作符优先级、结合性和括号嵌套带来的复杂性,使表达式求值逻辑清晰高效。

用Java实现一个四则运算器,核心思路通常是分两步走:先把我们日常书写的算术表达式(中缀表达式)转换成一种计算机更容易处理的形式,比如逆波兰表达式(后缀表达式),然后再对这种后缀表达式进行求值。这听起来有点绕,但一旦你理解了其中的逻辑,会发现它其实非常优雅且高效。

要构建一个能够处理加减乘除以及括号的Java计算器,我们通常会采用“调度场算法”(Shunting-yard algorithm)来完成中缀到后缀的转换,然后用一个简单的栈来评估后缀表达式。
1. 表达式的解析与词法分析 (Tokenization) 首先,我们需要把输入的字符串表达式拆分成一个个有意义的“词元”(tokens),比如数字、运算符、括号。这就像把一句话拆成一个个单词。

import java.util.*;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;
public class Calculator {
// 定义操作符优先级
private static final Map<Character, Integer> PRECEDENCE = new HashMap<>();
static {
PRECEDENCE.put('+', 1);
PRECEDENCE.put('-', 1);
PRECEDENCE.put('*', 2);
PRECEDENCE.put('/', 2);
}
// 检查是否是操作符
private static boolean isOperator(char c) {
return PRECEDENCE.containsKey(c);
}
// 获取操作符优先级
private static int getPrecedence(char op) {
return PRECEDENCE.getOrDefault(op, 0);
}
// 词法分析:将表达式字符串拆分为词元列表
public List<String> tokenize(String expression) {
List<String> tokens = new ArrayList<>();
Pattern pattern = Pattern.compile("(\d+\.?\d*)|([+\-*/()])"); // 匹配数字或运算符/括号
Matcher matcher = pattern.matcher(expression.replaceAll("\s+", "")); // 移除空格
while (matcher.find()) {
tokens.add(matcher.group());
}
return tokens;
}
// ... 后续方法
}2. 中缀表达式转后缀表达式 (Shunting-yard Algorithm) 这是最关键的一步。我们用两个数据结构:一个栈(用于存放操作符和括号)和一个列表(用于存放转换后的后缀表达式)。
// ... 接上 Calculator 类
// 中缀表达式转后缀表达式
public List<String> infixToPostfix(List<String> tokens) {
List<String> postfix = new ArrayList<>();
Stack<Character> operatorStack = new Stack<>();
for (String token : tokens) {
char c = token.charAt(0); // 简化处理,假设token都是单字符或完整数字
if (Character.isDigit(c)) { // 如果是数字,直接输出
postfix.add(token);
} else if (c == '(') { // 左括号入栈
operatorStack.push(c);
} else if (c == ')') { // 右括号,弹出栈中操作符直到遇到左括号
while (!operatorStack.isEmpty() && operatorStack.peek() != '(') {
postfix.add(String.valueOf(operatorStack.pop()));
}
if (!operatorStack.isEmpty() && operatorStack.peek() == '(') {
operatorStack.pop(); // 弹出左括号
} else {
throw new IllegalArgumentException("Mismatched parentheses");
}
} else if (isOperator(c)) { // 操作符
// 弹出栈中优先级更高或相等的运算符
while (!operatorStack.isEmpty() && isOperator(operatorStack.peek()) &&
getPrecedence(c) <= getPrecedence(operatorStack.peek())) {
postfix.add(String.valueOf(operatorStack.pop()));
}
operatorStack.push(c); // 当前操作符入栈
} else {
throw new IllegalArgumentException("Invalid token: " + token);
}
}
// 弹出栈中剩余所有操作符
while (!operatorStack.isEmpty()) {
if (operatorStack.peek() == '(') {
throw new IllegalArgumentException("Mismatched parentheses");
}
postfix.add(String.valueOf(operatorStack.pop()));
}
return postfix;
}
// ... 后续方法3. 后缀表达式求值 后缀表达式的求值相对简单,只需要一个栈。遇到数字就入栈,遇到操作符就弹出栈顶的两个数字进行运算,然后将结果再压入栈。

// ... 接上 Calculator 类
// 后缀表达式求值
public double evaluatePostfix(List<String> postfixTokens) {
Stack<Double> operandStack = new Stack<>();
for (String token : postfixTokens) {
if (Character.isDigit(token.charAt(0)) || (token.length() > 1 && token.charAt(0) == '-' && Character.isDigit(token.charAt(1)))) {
// 处理负数情况,或者更严谨地判断是否是数字
operandStack.push(Double.parseDouble(token));
} else if (isOperator(token.charAt(0))) {
if (operandStack.size() < 2) {
throw new IllegalArgumentException("Invalid expression: not enough operands for operator " + token);
}
double val2 = operandStack.pop();
double val1 = operandStack.pop();
double result;
switch (token.charAt(0)) {
case '+': result = val1 + val2; break;
case '-': result = val1 - val2; break;
case '*': result = val1 * val2; break;
case '/':
if (val2 == 0) throw new ArithmeticException("Division by zero");
result = val1 / val2; break;
default: throw new IllegalArgumentException("Unknown operator: " + token);
}
operandStack.push(result);
} else {
throw new IllegalArgumentException("Invalid token in postfix expression: " + token);
}
}
if (operandStack.size() != 1) {
throw new IllegalArgumentException("Invalid expression: too many operands or operators left");
}
return operandStack.pop();
}
public static void main(String[] args) {
Calculator calculator = new Calculator();
String expression = "3 + 4 * (2 - 1) / 2"; // 示例表达式
// String expression = " ( 1 + 2 ) * 3 ";
try {
List<String> tokens = calculator.tokenize(expression);
System.out.println("Tokens: " + tokens);
List<String> postfix = calculator.infixToPostfix(tokens);
System.out.println("Postfix: " + postfix);
double result = calculator.evaluatePostfix(postfix);
System.out.println("Result: " + result); // 期望结果:3 + 4 * 1 / 2 = 3 + 2 = 5.0
} catch (Exception e) {
System.err.println("Error: " + e.getMessage());
}
}
}你可能会发现,直接从左到右扫描一个像 3 + 4 * 2 这样的表达式,然后就地计算,结果往往是不对的。因为我们人脑在处理这种表达式时,会自动地遵守一个规则——“先乘除后加减”,也就是操作符的优先级。计算机可没这“常识”,它只会老老实实地按照你给它的指令来。
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比方说,直接从左到右算 3 + 4 * 2:
3 + 4 得到 7
7 * 2 得到 14
这显然是错的,正确答案应该是 3 + (4 * 2) = 3 + 8 = 11。另外,括号的存在又会进一步打乱这种简单的顺序。(3 + 4) * 2 意味着括号里的内容要优先计算。这种“优先级”和“结合性”(比如加法是从左到右结合,a - b - c 等同于 (a - b) - c)让中缀表达式对计算机来说变得异常复杂。它需要不断地“回溯”或者“预读”,来决定哪个操作先执行。这就是为什么我们需要一种更“扁平化”的表示形式,来消除这些歧义。
处理操作符优先级和括号,正是“调度场算法”的精髓所在。这个算法是由Edsger Dijkstra提出的,它就像一个火车站的调度场,把“货车”(数字)直接送往目的地,而把“机车”(操作符)暂时停在不同的轨道上,根据它们的“型号”(优先级)和“方向”(结合性)来决定什么时候出发。
具体来说,当算法扫描中缀表达式时:
(: 把它压入操作符栈。它就像一个“高优先级”的信号,告诉我们括号里面的内容要先处理。): 这就有点意思了。我们需要不断地从操作符栈中弹出操作符,并将它们添加到输出列表,直到遇到对应的左括号。找到左括号后,把这对括号都丢弃掉,因为它们在后缀表达式中已经没有存在的必要了。如果没找到左括号就遇到了栈底或者其他操作符,那说明括号不匹配,表达式就是非法的。+, -, `,/`):** 这是最复杂的部分。我们需要比较当前操作符与操作符栈顶的操作符的优先级。通过这种巧妙的规则,算法就能自动地将中缀表达式的优先级和括号信息“编码”到后缀表达式的顺序中,从而消除了计算时的歧义。
逆波兰表达式,或者叫后缀表达式,它最大的优势在于消除了歧义。你不需要括号,也不用考虑操作符优先级,因为操作的顺序已经由词元的排列顺序明确定义了。这对于计算机来说,简直是福音!
你想想,在后缀表达式里,操作符总是出现在它要操作的数(操作数)之后。比如 3 4 + 意味着 3 和 4 相加,3 4 2 * + 意味着 3 加上 4 乘以 2 的结果。这种形式让求值过程变得异常简单,只需要一个栈就能搞定:
这种求值方式,直观、高效,而且不容易出错。它完美地解决了中缀表达式带来的优先级和括号问题,让计算器的实现变得清晰而可靠。
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