[c++]大数运算---利用C++ string实现任意长度正小数、整数之间的加减法

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一、概述

　　C/C++中的int类型能表示的范围是-2E31－2E31–1。unsigned类型能表示的范围是0－2E32–1，即 0－4294967295。所以，int和unsigned类型变量，都不能保存超过10位的整数。有时我们需要参与运算的数，可能会远远不止10 位，例如，可能需要保留小数点后面100位（比如求π的值），那么，即便使用能表示很大数值范围的double变量，但是由于double变量只有64位，所以还是不可能达到精确到小数点后面100位这样的精度。double变量的精度也不足以表示一个100位的整数。一般我们称这种基本数据类型无法表示的整数为大数。如何表示和存放大数呢？在c语言下，我们可以用数组存放和表示大整数，一个数组元素，存放大数中的一位。而在c++中，使用标准库的string类型，使得大数问题的计算更加实用（没有最大值的限制），更加灵活（输入更加简洁方便），更加简单（可以方便的处理小数之间的运算）。

二、算法原理简单描述：

看如下大整数的加法运算：

　　answer每一位都是num1、num2和carry的和，因此，我们在输入加数和被加数的string之后，可以将内容进行一次反转，这样，answer[i]=num1[i]+num2[i]+carry[i-1]。反转的一个重要的原因是可以方便的将向前的进位和运算变为向后的进位运算，有利于充分发挥string的特点。在这里，我们可以使用<algorithm>头文件下的reverse()函数方便的实现string的内容反转。当运算完毕后，反转回来即可。

　　当加入小数点后，我们就需要考虑一些额外的问题--小数点的位置问题，笔者在此采用了如下的策略：将输入内容格式检查之后（使用了cctpe头文件），将一个数分为小数部分和整数部分，然后先运算小数部分，将得到的carry最后和整数部分一起运算，最后将两部分的和拼接在一起。

　　对于大数的减法问题，基本上是大数加法的一个逆运算过程，笔者不在细讲，看源代码就可以很容易的理解。

三、程序代码：

  1 /*
  2 大数的运算1--加法:
  3 利用C++ string实现任意长度正小数、整数之间的加减法
  4 作者：大大维
  5 2017/5/5
  6 */
  7 #include<iostream>
  8 #include<string>
  9 #include<cctype>
 10 #include<algorithm>
 11 using namespace std;
 12 string sum(string,string,string,string);
 13 string sub(string,string,string,string);
 14 int main()
 15 {
 16     string num1,num2;
 17     cout<<"Input num1 , num2:"<<endl;
 18     cin>>num1>>num2;
 19     string num11,num12,num21,num22;
 20     //输入检查
 21     //是否是小数的标志
 22     bool num1Flag=false,num2Flag=false;
 23     for(auto c:num1)
 24     {
 25         //由数字或者数字加一个.组成
 26         if(!isdigit(c)||num1.empty())
 27         {
 28             if(c=='.'&&!num1Flag)
 29             {
 30                 num1Flag=true;
 31             }
 32             else
 33             {
 34                 cout<<"num1: Please input correct form!!!"<<endl;
 35                 return 0;
 36             }
 37         }
 38     }
 39     for(auto c:num2)
 40     {
 41         if(!isdigit(c)||num2.empty())
 42         {
 43             if(c=='.'&&!num2Flag)
 44             {
 45                 num2Flag=true;
 46             }
 47             else
 48             {
 49                 cout<<"num2: Please input correct form!!!"<<endl;
 50                 return 0;
 51             }
 52         }
 53     }
 54 
 55     //字符串分割{整数部分和小数部分)
 56     if(num1Flag)//如果是小数
 57     {
 58         int i=0;
 59         while(i!=num1.size()&&num1[i]!='.')
 60         {
 61             num11+=num1[i];
 62             ++i;
 63         }
 64         while(++i!=num1.size())
 65         {
 66             num12+=num1[i];
 67         }
 68         //用于.XXX或XXX.型输入的控制
 69         if(num11.empty())
 70             num11+='0';
 71         if(num12.empty())
 72             num12+='0';
 73     }
 74     else//如果是整数
 75     {
 76         num11=num1;
 77         num12+='0';
 78     }
 79     if(num2Flag)//如果是小数
 80     {
 81         int i=0;
 82         while(i!=num2.size()&&num2[i]!='.')
 83         {
 84             num21+=num2[i];
 85             ++i;
 86         }
 87         while(++i!=num2.size())
 88         {
 89             num22+=num2[i];
 90         }
 91         //用于.XXX或XXX.型输入的控制
 92         if(num21.empty())
 93             num21+='0';
 94         if(num22.empty())
 95             num22+='0';
 96     }
 97     else//如果是整数str
 98     {
 99         num21=num2;
100         num22+='0';
101     }
102 
103     cout<<"The Sum result = "<<sum(num11,num12,num21,num22)<<endl;
104     cout<<"The Sub result = "<<sub(num11,num12,num21,num22)<<endl;
105 }
106 
107 
108 //加法      较长的整数部分   较长的小数部分   较短的整数部分   较短的小数部分
109 string sum(string strLong1,string strLong2,string strShort1,string strShort2)
110 {
111     //小数部分计算
112     if(strLong2.size()<strShort2.size())
113     {
114         string strTemp=strLong2;
115         strLong2=strShort2;
116         strShort2=strTemp;
117     }
118     //补0
119     for(int i=strShort2.size(); i<strLong2.size(); ++i)
120         strShort2+='0';
121     //反转字符串
122     reverse(strLong2.begin(),strLong2.end());
123     reverse(strShort2.begin(),strShort2.end());
124     //小数部分进行加法计算
125     string strRes2(strLong2.size(),'0');
126     int carry=0;//进位
127     for(int i=0; i!=strLong2.size(); ++i)
128     {
129         int a=strShort2[i]-'0',b=strLong2[i]-'0';
130         a=a+b+carry;
131         carry=a/10;
132         strRes2[i]=(a%10)+'0';
133     }
134     //反转回来
135     reverse(strRes2.begin(),strRes2.end());
136 
137 
138     //整数部分计算
139     if(strLong1.size()<strShort1.size())
140     {
141         string strTemp=strLong1;
142         strLong1=strShort1;
143         strShort1=strTemp;
144     }
145     //反转字符串
146     reverse(strLong1.begin(),strLong1.end());
147     reverse(strShort1.begin(),strShort1.end());
148 
149 
150     string strRes1(strLong1.size(),'0');
151     for(int i=0; i!=strShort1.size(); ++i)
152     {
153         int a=strShort1[i]-'0',b=strLong1[i]-'0';
154         a=a+b+carry;
155         carry=a/10;
156         strRes1[i]=(a%10)+'0';
157     }
158     for(int i=strShort1.size(); i!=strLong1.size(); ++i)
159     {
160         int b=strLong1[i]-'0';
161         b+=carry;
162         carry=b/10;
163         strRes1[i]=b%10+'0';
164     }
165     if(carry)
166     {
167         strRes1+=(carry+'0');
168     }
169     //反转回来
170     reverse(strRes1.begin(),strRes1.end());
171 
172 
173     //合并整数部分和小数部分
174     string strRes=strRes1+'.'+strRes2;
175     return strRes;
176 }
177 
178 //减法  被减数的整数部分 被减数的小数部分 减数的整数部分 减数的小数部分
179 string sub(string strBjs1,string strBjs2,string strJs1,string strJs2)
180 {
181     //小数部分进行减法计算
182     int cntTemp=strBjs2.size()-strJs2.size();
183     //补0
184     if(cntTemp<=0)
185     {
186         for(int i=cntTemp;i!=0;++i)
187         {
188             strBjs2+='0';
189         }
190     }
191     else
192     {
193         for(int i=cntTemp;i!=0;--i)
194         {
195             strJs2+='0';
196         }
197     }
198 
199     //反转字符串
200     reverse(strBjs2.begin(),strBjs2.end());
201     reverse(strJs2.begin(),strJs2.end());
202     string strRes2(strBjs2.size(),'0');
203     int carry=0;//进位
204     for(int i=0; i!=strBjs2.size(); ++i)
205     {
206         int a=strBjs2[i]-'0',b=strJs2[i]-'0';
207         a=a-b-carry;
208         if(a>=0)
209         {
210             carry=0;
211             strRes2[i]=a+'0';
212         }
213         else
214         {
215             carry=1;
216             strRes2[i]=a+10+'0';
217         }
218     }
219     //反转回来
220     reverse(strRes2.begin(),strRes2.end());
221 
222 
223 
224     //整数部分进行减法计算
225     //反转字符串
226     reverse(strBjs1.begin(),strBjs1.end());
227     reverse(strJs1.begin(),strJs1.end());
228     string strRes1(strBjs1.size(),'0');
229     for(int i=0;i!=strJs1.size();++i)
230     {
231         int a=strBjs1[i]-'0',b=strJs1[i]-'0';
232         a=a-b-carry;
233         if(a>=0)
234         {
235             carry=0;
236             strRes1[i]=a+'0';
237         }
238         else
239         {
240             carry=1;
241             strRes1[i]=a+10+'0';
242         }
243     }
244     for(int i=strJs1.size();i!=strBjs1.size();++i)
245     {
246         int a=strBjs1[i]-'0';
247         a=a-carry;
248         if(a>=0)
249         {
250             carry=0;
251             strRes1[i]=a+'0';
252         }
253         else
254         {
255             carry=1;
256             strRes1[i]=a+10+'0';
257         }
258     }
259     if(carry)//此时除数比被除数大，结果为负数
260     {
261         return "*";
262     }
263     //反转回来
264     reverse(strRes1.begin(),strRes1.end());
265 
266 
267     //清楚冗余0
268     string strTemp;
269     cntTemp=0;
270     for(int i=0;strRes1[i]=='0';++i)++cntTemp;
271     for(int i=cntTemp;i!=strRes1.size();++i)
272         strTemp+=strRes1[i];
273     strRes1=strTemp;
274     //合并整数部分和小数部分
275     string strRes=strRes1+'.'+strRes2;
276     return strRes;
277 }