表达式计算器的实现
一、前言
关于表达式计算器的实现，在这里分享一下我的思路，也希望大家提出一些改进建议。
二、实现表达式计算的主要思路。
1、使用的数据结构。
以前的版本实现表达式计算用的是二叉树数据结构，二叉树有两个子节点，最多支持双目运算符或者带两个参数的函数，可是如果函数的参数很多，就不好处理了，所以当前的版本，用的数据结构是动态数组，实现原理就是先把字符串表达式转换成动态数组，数组中存储运算符、参与运算的数、括号等。这样运算符或者函数的参数个数就不受限制，可以支持更多类型的运算符。
2、对运算符进行分类。
对运算符的分类处理是该程序的一个重要思路，运算符虽然有很多，但是可以将运算符归类，针对每一类运算符分别处理，这样核心算法就不会涉及到具体的运算符，只会涉及到运算符的类别。这样以后如果要扩展更多的运算符就会很方便，不需要再修改核心算法的代码，只需要修改运算符集合类就可以了。
用一个枚举类表示运算符的种类，代码如下：
/// <summary> /// 运算符类型 /// </summary> enum OpeType { /// <summary> /// 该运算因子不是运算符 /// </summary> notOperator, /// <summary> /// 常数或变量(没有参数的运算符) /// </summary> noParameter, /// <summary> /// '+'或'-' /// 这两个运算符即可以当正负号使用又可以当加减运算符使用 /// </summary> PlusOrMinus, /// <summary> /// 参数全在左边的运算符 /// </summary> left, /// <summary> /// 参数全在右边的运算符 /// </summary> right, /// <summary> /// 左边和右边都有参数的运算符 /// </summary> bothSides, /// <summary> /// 左括号 /// </summary> leftParenthesis, /// <summary> /// 右括号 /// </summary> rightParenthesis, /// <summary> /// 分隔符，这里指逗号 /// </summary> Separator }
3、对表达式的进行合法性检查的思路。
对表达式的合法性检查，我没有学过编译原理，不懂什么是文法分析、词法分析。这个程序检查表达式的合法性的原理是：针对每一类运算符，分别进行判断，检查其参数的个数，参数是在右边还是在左边等等，主要代码如下：
#region 第四次处理 //第四次处理，判断表达式是否合法，并在合适的地方插入乘号 for (int i = 0; i < valList.Count - 1; i++) { #region 当前运算因子是数字 if (valList[i].type == ValType.Number)//数字 { if (valList[i + 1].type == ValType.Operator)//右边是运算符 { switch (valList[i + 1].OpeType) { case OpeType.bothSides://正确 break; case OpeType.left://正确 break; case OpeType.leftParenthesis: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.noParameter: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.PlusOrMinus://正确 break; case OpeType.right: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.rightParenthesis://正确 break; case OpeType.Separator://正确 break; } } else//右边是数字 { Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); } } #endregion #region 当前运算因子是运算符 if (valList[i].type == ValType.Operator)//运算符 { #region 当前运算符右边是运算符 if (valList[i + 1].type == ValType.Operator)//右边是运算符 { switch (valList[i].OpeType)//左运算符 { #region case OpeType.bothSides://左运算符参数信息 case OpeType.bothSides://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides: MakeException(i); break; case OpeType.left: MakeException(i); break; case OpeType.leftParenthesis://正确 break; case OpeType.noParameter://正确 break; case OpeType.PlusOrMinus: MakeException(i); break; case OpeType.right://正确 break; case OpeType.rightParenthesis: MakeException(i); break; case OpeType.Separator: MakeException(i); break; } break; #endregion #region case OpeType.left://左运算符参数信息 case OpeType.left://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides://正确 break; case OpeType.left://正确 break; case OpeType.leftParenthesis: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.noParameter: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.PlusOrMinus://正确 break; case OpeType.right: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.rightParenthesis://正确 break; case OpeType.Separator: //正确 break; } break; #endregion #region case OpeType.leftParenthesis://左运算符参数信息 case OpeType.leftParenthesis://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides: int pos = i + 1 >= 0 ? i + 1 : i; MakeException(pos); break; case OpeType.left: pos = i + 1 >= 0 ? i + 1 : i; MakeException(pos); break; case OpeType.leftParenthesis://正确 break; case OpeType.noParameter://正确 break; case OpeType.PlusOrMinus://正确 break; case OpeType.right://正确 break; case OpeType.rightParenthesis: pos = i - 1 >= 0 ? i - 1 : i; MakeException(pos); break; case OpeType.Separator: pos = i - 1 >= 0 ? i - 1 : i; MakeException(pos); break; } break; #endregion #region case OpeType.noParameter://左运算符参数信息 case OpeType.noParameter://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides://正确 break; case OpeType.left://正确 break; case OpeType.leftParenthesis: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.noParameter: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.PlusOrMinus://正确 break; case OpeType.right: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.rightParenthesis://正确 break; case OpeType.Separator: //正确 break; } break; #endregion #region case OpeType.PlusOrMinus://左运算符参数信息 case OpeType.PlusOrMinus://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides: MakeException(i); break; case OpeType.left: MakeException(i); break; case OpeType.leftParenthesis://正确 break; case OpeType.noParameter://正确 break; case OpeType.PlusOrMinus: MakeException(i); break; case OpeType.right://正确 break; case OpeType.rightParenthesis: MakeException(i); break; case OpeType.Separator: MakeException(i); break; } break; #endregion #region case OpeType.right://左运算符参数信息 case OpeType.right://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides: MakeException(i); break; case OpeType.left: MakeException(i); break; case OpeType.leftParenthesis://正确 break; case OpeType.noParameter: MakeException(i); break; case OpeType.PlusOrMinus: MakeException(i); break; case OpeType.right: MakeException(i); break; case OpeType.rightParenthesis: MakeException(i); break; case OpeType.Separator: MakeException(i); break; } break; #endregion #region case OpeType.rightParenthesis://左运算符参数信息 case OpeType.rightParenthesis://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides://正确 break; case OpeType.left://正确 break; case OpeType.leftParenthesis: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.noParameter: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.PlusOrMinus://正确 break; case OpeType.right: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.rightParenthesis://正确 break; case OpeType.Separator://正确 break; } break; #endregion #region case OpeType.Separator://左运算符参数信息 case OpeType.Separator://左运算符参数信息 switch (valList[i + 1].OpeType)//右运算符 { case OpeType.bothSides: MakeException(i + 1); break; case OpeType.left: MakeException(i + 1); break; case OpeType.leftParenthesis://正确 break; case OpeType.noParameter://正确 break; case OpeType.PlusOrMinus://正确 break; case OpeType.right://正确 break; case OpeType.rightParenthesis: MakeException(i); break; case OpeType.Separator: MakeException(i); break; } break; #endregion } } #endregion #region 当前运算符右边是数字 else if (valList[i + 1].type == ValType.Number)//运算符右边是数字 { switch (valList[i].OpeType) { case OpeType.bothSides://正确 break; case OpeType.left: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.leftParenthesis://正确 break; case OpeType.noParameter: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.PlusOrMinus://正确 break; case OpeType.right: MakeException(i); break; case OpeType.rightParenthesis: Insert(opeList.GetOpe("*"), i + 1); break; case OpeType.Separator: //正确 break; } } #endregion } #endregion } #endregion
三、下面是表达式计算过程的主要步骤：
1、将字符串表达式中的数字、运算符、括号、逗号等提取出来，按顺序存储在一个动态数组中。
原理很简单，就是通过字符串搜索来实现，扫描字符串表达式，依次把运算符取出来放到动态数组中，运算符之间的内容就是参与运算的数了。
把字符串表达式转换成运算符、括号、逗号和数字的动态数组后，后面将处理这个数组，完成运算。
部分代码如下：
#region 将字符串表达式转换成运算因子(数字、常数及运算符)列表 /// <summary> /// 将字符串表达式转换成运算因子列表 /// </summary> /// <param name="str">字符串表达式</param> private void ToList(List<CalVal> valList, string str) { do { //字符串中首个运算符的位置 int opePos = GetOpePos(str); CalNum num = null; CalOpe ope = null; if (opePos > 0)//找到运算符且它前面有数字 { num = GetNum(ref str, opePos); } else if (opePos == 0)//找到运算符且它在字符串最前面 { ope = GetOpe(ref str); } else//没有找到运算符 { num = GetNum(ref str); } if (num != null) { valList.Add(new CalVal(num)); } if (ope != null) { valList.Add(new CalVal(ope)); } } while (str != ""); } #endregion #region 获取字符串中首个运算符或常数的位置 /// <summary> /// 获取字符串中首个运算符或常数的位置 /// </summary> /// <param name="str">字符串</param> /// <returns>值若为-1表示未找到</returns> private int GetOpePos(string str) { CalOpeList opeList = new CalOpeList(); int pos = -1; for (int i = 0; i < opeList.count; i++) { int k = -1; int opeIndex = str.IndexOf(opeList.opeList[i].tag); //科学计数法的情况：如果'+'或'-'的前面是'E' if (opeList.opeList[i].opeType == OpeType.PlusOrMinus && opeIndex - 1 >= 0 && str.Substring(opeIndex - 1, 1) == "E") { //从'+'或'-'的后面重新查找 k = str.Substring(opeIndex + 1).IndexOf(opeList.opeList[i].tag); if (k != -1)//如果找到 { //计算该运算符的位置 k += opeIndex + 1; } } else { k = opeIndex; } if (pos == -1) { pos = k; } else if (k >= 0 && k < pos) { pos = k; } } return pos;//值若为-1表示未找到 } #endregion #region 获得运算符 /// <summary> /// 获得运算符 /// </summary> private CalOpe GetOpe(ref string str) { CalOpeList opeList = new CalOpeList(); CalOpe ope = null; for (int i = 0; i < opeList.count; i++) { if (str.IndexOf(opeList.opeList[i].tag) == 0) { ope = opeList.opeList[i]; //更新str str = str.Substring(opeList.opeList[i].tag.Length); break; } } return ope; } #endregion #region 获取数字 /// <summary> /// 获取数字 /// </summary> private CalNum GetNum(ref string str, int opePos) { CalNum result = null; result = new CalNum(str.Substring(0, opePos)); //更新str str = str.Substring(opePos); return result; } /// <summary> /// 获取数字 /// </summary> private CalNum GetNum(ref string str) { CalNum result = null; result = new CalNum(str); //更新str str = ""; return result; } #endregion
2、优先级的处理。
优先级的处理是表达式计算过程中的一个关键问题。
动态数组中的每个元素（运算符、分隔符或数字等）都有一个优先级，对存储表达式的动态数组从前往后扫描，遇到左括号，将运算符的优先级提升，遇到右括号的话，将运算符的优先级降低。这样处理过后，动态数组中的运算符的优先级各不相同，括号中的运算符的优先级就会高于括号外的运算符的优先级。比如括号外的加号的优先级低于括号内的加号的优先级，因为在处理的过程中把括号内的加号的优先级提升了。
/// <summary> /// 优先级处理，提高括号中的算式的运算符的优先级 /// </summary> private void LevelProcess() { int delLevel = 0;//优先级增量 for (int i = 0; i < valList.Count; i++) { if (valList[i].type == ValType.Operator) { //如果是左括号 if (valList[i].OpeType == OpeType.leftParenthesis) { delLevel += 1000; continue; } //如果是右括号 if (valList[i].OpeType == OpeType.rightParenthesis) { delLevel -= 1000; continue; } valList[i].level = valList[i].ope.level + delLevel; } } }
3、在计算存储在动态数组中的表达式前，先生成优先级列表，并按优先级从高到低排好序。
#region 生成优先级列表 /// <summary> /// 生成优先级列表 /// </summary> private void MakeLevelList() { #region 生成优先级列表，优先级按从高到低存储 //逐个扫描运算因子，提取优先级列表，并按优先级从高到低存储 for (int i = 0; i < valList.Count; i++) { //如果是运算符 if (valList[i].type == ValType.Operator) { //如果是括号或分隔符 if (valList[i].OpeType == OpeType.leftParenthesis || valList[i].OpeType == OpeType.rightParenthesis || valList[i].OpeType == OpeType.Separator) { continue; } InsertIntoLevelList(ref levelList, valList[i].level); } } #endregion } #endregion #region 将优先级插入到优先级列表中 /// <summary> /// 将优先级插入到优先级列表中 /// </summary> /// <param name="levelList">优先级列表</param> /// <param name="level">要插入的优先级</param> private void InsertIntoLevelList(ref List<int> levelList, int level) { //列表为空的情况 if (levelList.Count == 0) { levelList.Add(level); return; } //该优先级是否已存在 for (int i = 0; i < levelList.Count; i++) { //该优先级已存在 if (level == levelList[i]) { return; } } int k = 0; for (; k < levelList.Count; k++) { if (level > levelList[k]) { levelList.Insert(k, level); break; } } if (k >= levelList.Count) { levelList.Add(level); } } #endregion
4、遍历优先级列表，按照优先级从高到低，扫描表达式动态数组，先计算优先级高的运算，用计算结果替换掉计算之前的运算符和参与运算的数。当把优先级列表中的优先级都处理完，对表达式的计算也就结束了，这时，表达式动态数组中将只剩下计算结果。
下面是计算过程的主要代码：
#region 核心算法，对于当前优先级，扫描运算因子列表并计算 if (levelList.Count != 0)//优先级列表不为空 { #region 处理当前优先级 //对于当前优先级，逐个扫描运算因子，处理具有该优先级的运算 for (int i = 0; i < valList.Count; i++) { //找到具有该优先级的运算符 if (valList[i].type == ValType.Operator && valList[i].level == levelList[0])//该运算因子的优先级等于当前优先级 { bool isSign = false;//Sign为true表示当前运算因子是正负号 currentPos = valList[i].primalPos;//记录当前运算因子在列表中的原始位置 //参数列表 List<CalNum> numList = new List<CalNum>(); //临时计算结果 CalNum num; switch (valList[i].OpeType)//i表示该运算因子的位置 { #region case OpeType.PlusOrMinus: case OpeType.PlusOrMinus: //若该运算符前面没有运算因子 //或前一个运算因子是运算符，则按正负号计算 if (i == 0 || (i - 1 >= 0 && valList[i - 1].type == ValType.Operator)) { isSign = true;//是正负号 //获取该运算符的参数 if (i + 1 < valList.Count && valList[i + 1].type == ValType.Number) { //注意，下面第一句不可省略 numList = new List<CalNum>(); numList.Add(valList[i + 1].num); } //计算 num = CalOpeList.Calculate(valList[i].ope, numList); //更新运算因子列表 ReplaceVal(num, 2, i); //i无需调整 } else//若前一个运算因子是操作数，则按加减号计算 { //获取该运算符的参数 if (valList[i - 1].type == ValType.Number && i + 1 < valList.Count && valList[i + 1].type == ValType.Number) { //注意，下面第一句不可省略 numList = new List<CalNum>(); numList.Add(valList[i - 1].num); numList.Add(valList[i + 1].num); } //计算 num = CalOpeList.Calculate(valList[i].ope, numList); //更新运算因子列表 ReplaceVal(num, 3, i - 1); //调整i i--; } break; #endregion #region case OpeType.bothSides: case OpeType.bothSides: //获取该运算符的参数 if (i >= 1 && valList[i - 1].type == ValType.Number && i + 1 < valList.Count && valList[i + 1].type == ValType.Number) { //注意，下面第一句不可省略 numList = new List<CalNum>(); numList.Add(valList[i - 1].num); numList.Add(valList[i + 1].num); } //计算 num = CalOpeList.Calculate(valList[i].ope, numList); //更新运算因子列表 ReplaceVal(num, 3, i - 1); //调整i i--; break; #endregion #region case OpeType.left: case OpeType.left: //获取该运算符的参数 if (i >= 1 && valList[i - 1].type == ValType.Number) { //注意，下面第一句不可省略 numList = new List<CalNum>(); numList.Add(valList[i - 1].num); } //计算 num = CalOpeList.Calculate(valList[i].ope, numList); //更新运算因子列表 ReplaceVal(num, 2, i - 1); //调整i i--; break; #endregion #region case OpeType.noParameter: case OpeType.noParameter: //注意，下面第一句不可省略 numList = new List<CalNum>(); //计算 num = CalOpeList.Calculate(valList[i].ope, numList); //更新运算因子列表 ReplaceVal(num, 1, i); break; #endregion #region case OpeType.right: case OpeType.right: #region 该运算符只有一个参数，且它的右边是常数 if (i + 1 < valList.Count && valList[i].ParameterNumber == 1 && valList[i + 1].type == ValType.Number) { //获取该运算符的参数 //注意，下面第一句不可省略 numList = new List<CalNum>(); numList.Add(valList[i + 1].num); //计算 num = CalOpeList.Calculate(valList[i].ope, numList); //更新运算因子列表 ReplaceVal(num, 2, i); } #endregion #region 该运算符不是只有一个参数，或者它的右边不是常数 else { //计算参数个数 int count = 0; int k = i + 1; //从运算符后面开始检测 //如果是左括号、分隔符或数字，则执行while中语句 while (k < valList.Count && (valList[k].type == ValType.Number || valList[k].OpeType == OpeType.Separator || valList[k].OpeType == OpeType.leftParenthesis)) { //如果是数字，参数个数加1 if (valList[k].type == ValType.Number) { count++; } k++; } //注意，下面第一句不可省略 numList = new List<CalNum>(); //从该运算符后面，逐个扫描，获取该运算符的参数 //j表示已读取的参数个数 //m表示检测位置增量 int m = 0; for (int j = 0; j < count; ) { //如果找到数字，存为参数 if (valList[i + j + m + 1].type == ValType.Number) { numList.Add(valList[i + j + m + 1].num); j++; } //如果是分隔符或左括号，检测位置增量加1，表示跳过该运算因子，继续检测 else if (valList[i + j + m + 1].OpeType == OpeType.Separator || valList[i + j + m + 1].OpeType == OpeType.leftParenthesis) { m++; } } //计算 num = CalOpeList.Calculate(valList[i].ope, numList); //更新运算因子列表，count+m+2中的2表示运算符本身和右括号 ReplaceVal(num, count + m + 2, i); } #endregion break; #endregion }//end switch if (!isSign)//如果不是正负号 { break;//退出for循环 } } } #endregion #region 删除处理完的优先级 bool levelExists = false;//是否存在具有该优先级的运算符 //逐个扫描运算因子,判断是否仍存在具有该优先级的运算符 for (int i = 0; i < valList.Count; i++) { if (levelList[0] == valList[i].level)//存在 { levelExists = true; } } if (!levelExists)//该优先级已处理完则删除它 { levelList.RemoveAt(0); } #endregion } #endregion
四、结束语。
没有什么高深的思想，我用最笨的办法实现了表达式计算。这个程序中用的最多的算法就是字符串查找，以及遍历数组。
程序截图：
GitHub地址：https://github.com/0611163/ScientificCalculator.git
源代码下载：http://pan.baidu.com/s/1jGyV45w
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