表达式求值(栈)


给定一个表达式,其中运算符仅包含 +,-,*,/(加 减 乘 整除),可能包含括号,请你求出表达式的最终值。

注意:

    数据保证给定的表达式合法。
    题目保证符号 - 只作为减号出现,不会作为负号出现,例如,-1+2,(2+2)*(-(1+1)+2) 之类表达式均不会出现。
    题目保证表达式中所有数字均为正整数。
    题目保证表达式在中间计算过程以及结果中,均不超过 231−1。
题目中的整除是指向 0
取整,也就是说对于大于 0 的结果向下取整,例如 5/3=1,对于小于 0 的结果向上取整,例如 5/(1−4)=−1。
C++和Java中的整除默认是向零取整;Python中的整除//默认向下取整,因此Python的eval()函数中的整除也是向下取整,在本题中不能直接使用。

输入格式

共一行,为给定表达式。
输出格式

共一行,为表达式的结果。
数据范围

表达式的长度不超过 10^5。
输入样例:

(2+2)*(1+1)

输出样例:

8

#include <iostream>
#include <stack>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;

stack<int> num;
stack<char> op;

//优先级表
unordered_map<char, int> h{ {'+', 1}, {'-', 1}, {'*',2}, {'/', 2} };


void eval()//求值
{
    int a = num.top();//第二个操作数
    num.pop();

    int b = num.top();//第一个操作数
    num.pop();

    char p = op.top();//运算符
    op.pop();

    int r = 0;//结果 

    //计算结果
    if (p == '+') r = b + a;
    if (p == '-') r = b - a;
    if (p == '*') r = b * a;
    if (p == '/') r = b / a;

    num.push(r);//结果入栈
}

int main()
{
    string s;//读入表达式
    cin >> s;

    for (int i = 0; i < s.size(); i++)
    {
        if (isdigit(s[i]))//数字入栈
        {
            int x = 0, j = i;//计算数字
            while (j < s.size() && isdigit(s[j]))
            {
                x = x * 10 + s[j] - '0';
                j++;
            }
            num.push(x);//数字入栈
            i = j - 1;
        }
        //左括号无优先级,直接入栈
        else if (s[i] == '(')//左括号入栈
        {
            op.push(s[i]);
        }
        //括号特殊,遇到左括号直接入栈,遇到右括号计算括号里面的
        else if (s[i] == ')')//右括号
        {
            while(op.top() != '(')//一直计算到左括号
                eval();
            op.pop();//左括号出栈
        }
        else
        {
            while (op.size() && h[op.top()] >= h[s[i]])//待入栈运算符优先级低,则先计算
                eval();
            op.push(s[i]);//操作符入栈
        }
    }
    while (op.size()) eval();//剩余的进行计算
    cout << num.top() << endl;//输出结果
    return 0;
}

网上看到的一篇,写的很详细。

思考思路:

先看下只有 + 和 * 的。

输入长度为n的字符串,例如:1+2+3*4*5

输出表达式的值,即:63

应该用什么数据结构?

栈。

应该先计算哪一步?

实际应该先计算1+2。

“表达式求值”问题,两个核心关键点:

(1)双栈,一个操作数栈,一个运算符栈;

(2)运算符优先级,栈顶运算符,和,即将入栈的运算符的优先级比较:

如果栈顶的运算符优先级低,新运算符直接入栈

如果栈顶的运算符优先级高,先出栈计算,新运算符再入栈

仍以1+2+3*4*5举例,看是如何利用上述两个关键点实施计算的。

首先,这个例子只有+和*两个运算符,所以它的运算符表是:

00.webp.jpg

这里的含义是:

(1)如果栈顶是+,即将入栈的是+,栈顶优先级高,需要先计算,再入栈;

(2)如果栈顶是+,即将入栈的是*,栈顶优先级低,直接入栈;

(3)如果栈顶是*,即将入栈的是+,栈顶优先级高,需要先计算,再入栈;

(4)如果栈顶是*,即将入栈的是*,栈顶优先级高,需要先计算,再入栈;

有了运算符表,一切就好办了。

01.webp.jpg

一开始,初始化好输入的字符串,以及操作数栈,运算符栈。

02.webp.jpg

一步步,扫描字符串,操作数一个个入栈,运算符也入栈。

3.png

下一个操作符要入栈时,需要先比较优先级。

栈内的优先级高,必须先计算,才能入栈。

4.webp.jpg
计算的过程为:

(1)操作数出栈,作为num2;

(2)操作数出栈,作为num1;

(3)运算符出栈,作为op;

(4)计算出结果;

5.webp.jpg

(5)结果入操作数栈;

6.png

接下来,运算符和操作数才能继续入栈。下一个操作符要入栈时,继续比较与栈顶的优先级。

栈内的优先级低,可以直接入栈。

7.png

字符串继续移动。

8.png

又要比较优先级了。

9.webp.jpg

栈内的优先级高,还是先计算(3*4=12),再入栈。

10.png

不断入栈,直到字符串扫描完毕。
11.webp.jpg

不断出栈,直到得到最终结果3+60=63,算法完成。

总结

“表达式求值”问题,两个核心关键点:

(1)双栈,一个操作数栈,一个运算符栈;

(2)运算符优先级,栈顶运算符,和,即将入栈的运算符的优先级比较:
如果栈顶的运算符优先级低,新运算符直接入栈

如果栈顶的运算符优先级高,先出栈计算,新运算符再入栈

这个方法的时间复杂度为O(n),整个字符串只需要扫描一遍。

运算符有+-*/()~^&都没问题,如果共有n个运算符,会有一个n*n的优先级表。

 


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