四则运算表达式求值
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简介 ¶
在提到栈的应用时,有一个很典型的例子就是表达式求值。
具体应用时体现在:
- 中缀表达式转后缀表达式:运算符栈
- 后缀表达式求值:操作数栈
若直接进行中缀表达式求值,需同时操作两个栈,而将中缀表达式转为后缀表达式再求值时,每个步骤只需要专注于一个栈,操作起来更简单。本文就介绍这种方法。
预备知识 ¶
逆波兰表示法 ¶
逆波兰表示法(Reverse Polish Notation, RPN),也称为后缀表示法,是一种数学表达式的书写方式,其中运算符位于操作数之后。
例如中缀表达式 2 + 3
的逆波兰表达式写作 2 3 +
。
其实,在《离散数学》的学习中,我们是在《树》一章学到的逆波兰表示法。还记得吗? 其中所谓 r 叉正则树,就是每个分支点恰有r 个儿子。
对2叉有序正则树的周游方式:
① 中序行遍法——次序为:左子树、根、右子树
② 前序行遍法(波兰符号法)——次序为:根、左子树、右子树
③ 后序行遍法(逆波兰符号法)——次序为:左子树、右子树、根
逆波兰表达式有什么好处?没有括号,每当遇到运算符时,所需的操作数已经准备就绪,可以立即执行计算,具体的规则是,从左往右扫描:
- 遇到操作数:压入栈中
- 遇到运算符:弹出栈顶两个元素,执行运算,将结果压回栈中
最终栈中剩余的一个元素就是计算结果。
中缀表达式转后缀表达式 ¶
后缀表达式求值比较容易,如果遇到的是中缀表达式呢?需要进行转换,核心思想是使用运算符栈来重新排列运算符和操作数:
- 遇到操作数:直接输出
- 遇到运算符:
- 栈为空:入栈
- 栈不为空:与栈顶运算符比较优先级
- 当前运算符优先级 > 栈顶运算符优先级:入栈
- 当前运算符优先级 ≤ 栈顶运算符优先级:弹出栈顶运算符并输出,重复比较
- 遇到左括号:入栈
- 遇到右括号:弹出栈中运算符直到遇到左括号
表达式结束时弹出栈中所有运算符,就得到了对应的后缀表达式。
代码 ¶
基本计算器 ¶
class Solution:
def __init__(self):
self.operators = {'+', '-', '*', '/'} # 集合
def precedence(self, op: str):
"""定义运算符优先级"""
if op in ('+', '-'):
return 1
if op in ('*', '/'):
return 2
return 0
def get_value(self, a: int, b: int, op: str) -> int:
"""四则运算取值"""
if op == "+":
return a + b
elif op == "-":
return a - b
elif op == "*":
return a * b
elif op == "/": # 注意:题目没有除法运算,Python 中的除法运算符 / 总是返回一个浮点数,如果需要整数除法(即向下取整),可以使用 // 运算符
return int(a / b)
return 0
def infix_to_postfix(self, s: str) -> list:
"""中缀表达式转后缀表达式"""
s = s.replace(' ', '') # 移除空格
stack = [] # 运算符栈
result = [] # 后缀表达式以列表表示
i = 0
while i < len(s):
if s[i].isdigit():
# 遇到操作数直接打印
j = i + 1
while j < len(s) and s[j].isdigit():
j += 1
num = s[i:j]
result.append(num)
i = j # 注意:走一大步
continue
elif s[i] in self.operators:
# 遇到加减乘除:栈空否,空进栈,不空看优先级重复比较
while stack and stack[-1] != '(' and self.precedence(stack[-1]) >= self.precedence(s[i]):
result.append(stack.pop()) # 注意:这里不断重复比较是精华
stack.append(s[i])
elif s[i] == '(':
# 遇到左括号:进栈
stack.append(s[i])
elif s[i] == ')':
# 遇到右括号:出栈直到左括号
while stack and stack[-1] != '(':
result.append(stack.pop())
stack.pop() # 弹出左括号
# 继续扫描
i += 1
# 收尾,全部出栈
while stack:
result.append(stack.pop()) # 注意:不能 extend
return result
def evaluate_postfix(self, postfix: list) -> int:
"""后缀表达式求值"""
stack = [] # 操作数栈
for token in postfix:
if token in self.operators:
b = stack.pop()
a = 0
if stack:
a = stack.pop() # 正常两数计算,而非负数
val = self.get_value(a, b, token)
stack.append(val)
else:
stack.append(int(token))
return stack.pop()
def calculate(self, s: str) -> int:
"""完整计算流程"""
postfix = self.infix_to_postfix(s)
result = self.evaluate_postfix(postfix)
return result
举例推导:
中缀表达式: 3 + 4 * 2
对应后缀表达式: 3 4 2 * +
求值过程:
- 遇到 3: 压栈 → [3]
- 遇到 4: 压栈 → [3, 4]
- 遇到 2: 压栈 → [3, 4, 2]
- 遇到 *: 弹出 2 和 4,计算 4*2=8,压栈 → [3, 8]
- 遇到 +: 弹出 8 和 3,计算 3+8=11,压栈 → [11]
对应题目:
高级计算器:支持一元运算 ¶
上述基础计算器存在的一个问题是:不支持负数,比如 5-(-2)
的计算。
为此,我们需要进行算法的改进,主要流程变为先分词,再转为后缀表达式,最后求值。这里添加了分词的预处理步骤,目的就是识别负数(或一元运算符)、小数、变量等。
基础计算器的问题在于把负数的 -
当成了减法运算,从而导致计算错误。在处理负数时有两种思路:
- 一种是用不同的符号表示负数,如
~
,本质是引入了一元运算,通用性好。 - 另一种是把负数识别出来,视作一个整体作为操作数,容易理解和实现,但这最大的局限性就是「只允许出现常数负数但不允许出现表达式负数」,即进行复杂的一元运算,例如
"- (3 - (- (4 + 5) ) )"
就无法处理,它包含了表达式负数,单独处理常数负数的算法是满足不了这种需求的。
Note
如果按第二种思路,把负数作为一个整体:
class Solution:
def __init__(self):
self.operators = {'+', '-', '*', '/'}
def precedence(self, op: str):
"""定义运算符优先级(不变)"""
if op in ('+', '-'):
return 1
if op in ('*', '/'):
return 2
return 0
def get_value(self, a: int, b: int, op: str) -> int:
"""四则运算取值(不变)"""
if op == "+":
return a + b
elif op == "-":
return a - b
elif op == "*":
return a * b
elif op == "/": # 注意:题目没有除法运算,Python 中的除法运算符 / 总是返回一个浮点数,如果需要整数除法(即向下取整),可以使用 // 运算符
return int(a / b)
return 0
def tokenize(self, s: str) -> list:
"""增加:分词,识别负数,作为一个整体"""
s = s.replace(' ', '') # 移除空格
result = []
i = 0
while i < len(s):
if (s[i] == '-' and
(i < len(s) - 1 and s[i+1].isdigit()) and
((i > 0 and s[i - 1] == '(') or i == 0) ) or s[i].isdigit():
# 识别负数(-开头并且紧跟着数字并在(后面 or -在最开头)、后面识别正数
j = i + 1
while j < len(s) and s[j].isdigit():
j += 1
result.append(s[i:j])
i = j
continue
elif s[i] in {'+', '-', '*', '/', '(', ')'}:
# 识别减号等运算符
result.append(s[i])
i += 1
return result
def infix_to_postfix(self, tokens: list) -> list:
"""修改:中缀表达式转后缀表达式"""
stack = [] # 运算符栈
result = [] # 后缀表达式以列表表示
for token in tokens:
if token in self.operators:
# 遇到加减乘除:栈空否,空进栈,不空看优先级重复比较
while stack and stack[-1] != '(' and self.precedence(stack[-1]) >= self.precedence(token):
result.append(stack.pop())
stack.append(token)
elif token == '(':
stack.append(token)
elif token == ')':
while stack and stack[-1] != '(':
result.append(stack.pop())
stack.pop() # 弹出左括号
else:
# 遇到操作数直接打印
result.append(token)
# 收尾,全部出栈
while stack:
result.append(stack.pop()) # 注意:不能 extend
return result
def evaluate_postfix(self, postfix: list) -> int:
"""后缀表达式求值(不变)"""
stack = [] # 操作数栈
for token in postfix:
if token in self.operators:
b = stack.pop()
a = 0
if stack:
a = stack.pop() # 开头一个负号的边界情况
val = self.get_value(a, b, token)
stack.append(val)
else:
stack.append(int(token))
return stack.pop()
def calculate(self, s: str) -> int:
"""修改:完整计算流程"""
tokens = self.tokenize(s)
postfix = self.infix_to_postfix(tokens)
result = self.evaluate_postfix(postfix)
return result
常数负数的运算都能成功,但是遇上表达式负数时,就不好使了,例如 "- (3 - (- (4 + 5) ) )"
,经由该程序得到的 tokens 为 ['-', '(', '3', '-', '(', '-', '(', '4', '+', '5', ')', ')', ')']
,得到的 postfix 为 ['3', '4', '5', '+', '-', '-', '-']
,计算结果为 -6
,而正确结果是 -12
。
按更通用的第一种思路,把负数的 -
换成 ~
,为计算器添上一元运算的功能。
class Solution:
def precedence(self, op: str):
"""修改:定义运算符优先级,一元运算符目前最高"""
if op in {'+', '-'}:
return 1
elif op in {'*', '/'}:
return 2
elif op in {'~'}:
return 3
return 0
def get_value(self, a: int, b: int, op: str) -> int:
"""修改:四则运算取值,加上一元运算"""
if op == "+":
return a + b
elif op == "-":
return a - b
elif op == "*":
return a * b
elif op == "/": # 注意:题目没有除法运算,Python 中的除法运算符 / 总是返回一个浮点数,如果需要整数除法(即向下取整),可以使用 // 运算符
return int(a / b)
elif op == "~":
return -b # 一元运算取第二个操作数
return 0
def tokenize(self, s: str) -> list:
"""修改:分词,识别负号是二元运算还是一元运算"""
s = s.replace(' ', '') # 移除空格
result = []
i = 0
while i < len(s):
if s[i] == '-':
# 表示一元运算的负号出现在以下情况:
# 1. 表达式开头: "-5 + 3"
# 2. 左括号后: "(-5 + 3)" 或 "(-5)"
# 3. 其他运算符后: "3 * -5" 或 "3 + -5" (可以支持,虽然一般不允许这样连续)
if i == 0 or (s[i - 1] in {'(', '+', '-', '*', '/'}):
result.append('~') # 一元运算
else:
result.append('-') # 二元运算
elif s[i].isdigit():
# 识别数字
j = i + 1
while j < len(s) and s[j].isdigit():
j += 1
result.append(s[i:j])
i = j
continue
elif s[i] in {'+', '-', '*', '/', '(', ')'}:
# 识别其他运算符
result.append(s[i])
i += 1
return result
def infix_to_postfix(self, tokens: list) -> list:
"""修改:中缀表达式转后缀表达式,仅小小修改"""
stack = [] # 运算符栈
result = [] # 后缀表达式以列表表示
for token in tokens:
if token in {'+', '-', '*', '/', '~'}:
# 遇到加减乘除~:栈空否,空进栈,不空看优先级重复比较
while stack and stack[-1] != '(' and self.precedence(stack[-1]) >= self.precedence(token):
result.append(stack.pop())
stack.append(token)
elif token == '(':
stack.append(token)
elif token == ')':
while stack and stack[-1] != '(':
result.append(stack.pop())
stack.pop() # 弹出左括号
else:
# 遇到操作数直接打印
result.append(token)
# 收尾,全部出栈
while stack:
result.append(stack.pop()) # 注意:不能 extend
return result
def evaluate_postfix(self, postfix: list) -> int:
"""修改:后缀表达式求值,对一元运算取值做特化"""
stack = [] # 操作数栈
for token in postfix:
if token in {'+', '-', '*', '/', '~'}:
b = stack.pop()
a = 0
if token != '~':
a = stack.pop()
val = self.get_value(a, b, token)
stack.append(val)
else:
stack.append(int(token))
return stack.pop()
def calculate(self, s: str) -> int:
"""完整计算流程"""
tokens = self.tokenize(s)
# print(tokens)
postfix = self.infix_to_postfix(tokens)
# print(postfix)
result = self.evaluate_postfix(postfix)
return result
再回到那个例子 "- (3 - (- (4 + 5) ) )"
,经由该程序得到的 tokens 为 ['~', '(', '3', '-', '(', '~', '(', '4', '+', '5', ')', ')', ')']
,得到的 postfix 为 ['3', '4', '5', '+', '~', '-', '~']
,计算结果为 -12
,而正确结果是 -12
,完美 。
对应题目:
- 224. 基本计算器
- 770. 基本计算器 IV:知晓后缀表达式求值后,本质上是设计怎样的数据结构来表示多项式以及如何处理多项式之间的计算,因为此时的「操作数已然不再是常数,而是变成了多项式」。提示:可用
map[string]int
来表示一个多项式,每一项的变量作为键,系数作为值(会出现负数),其中常数项的键定义为@
。每个键与对应的值相乘后得到每一项,再把全部项加起来即可表示一个多项式,而多项式对应的四则运算可举例推导其规律,加减就是每一项的系数做四则运算,但乘除可能生成新的项或合并同类项。