Java数据结构之栈与综合计算器的实现

目录

• 1.栈
• 1.1 栈的简介
• 1.2 使用数组模拟栈
• 1.3 栈的测试
• 2.综合计算器的实现
• 2.1 需求简介
• 2.2 详细思路及分步图解
• 2.3 完整代码及测试

1.栈

1.1 栈的简介

栈（stack）是具有 先进后出 特性的有序列表。即限制线性表中的元素的插入和删除只能在同一端。

• 栈顶：允许插入和删除的一端
• 栈底：固定的一端

因此，最先放入栈的元素在栈底，最后放入的元素在栈顶。当删除（出栈）的时候，正好相反，栈顶元素先删除，即最后放入的元素。

出栈入栈的示意图如下：

Top初始指向最底端，在数组模拟时，初始一般为-1。进行入栈操作时，每进一个元素，Top都会自增，指向栈顶元素。出栈则是入栈的逆过程。

1.2 使用数组模拟栈

因为栈的实现较为简单，这里直接展示代码，详细实现思路可以见代码注释。

ArrayStack.java

/**
 * @author 兴趣使然黄小黄
 * @version 1.0
 * 用数组去模拟栈
 */
@SuppressWarnings({"all"})
public class ArrayStack {
    private int maxSize; //栈的大小
    private int[] stack; //用数组模拟栈
    private int top = -1; //指向栈顶

    //构造器
    public ArrayStack(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        this.stack = new int[this.maxSize];
    }

    //判断栈满
    public boolean isFull(){
        return top == maxSize - 1;
    }

    //判断栈空
    public boolean isEmpty(){
        return top == -1;
    }

    //入栈
    public void push(int value){
        //判断是否满
        if (isFull()){
            System.out.println("栈已满，无法入栈!");
            return;
        }
        //入栈操作
        stack[++top] = value;
    }

    //出栈
    public int pop(){
        //先判断是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("当前栈已空，无法出栈!");
        }
        //出栈操作
        int value = stack[top];
        top--;
        return value;
    }

    //遍历
    public void showStack(){
        //从栈顶开始遍历
        if (isEmpty()){
            System.out.println("栈空");
        }
        for (int i = top; i >= 0; i--){
            System.out.printf("stack[%d] = %d\n", i, stack[i]);
        }
    }
}

1.3 栈的测试

测试代码及结果如下：

import java.util.Scanner;

/**
 * @author 兴趣使然黄小黄
 * @version 1.0
 * 测试栈
 */
@SuppressWarnings({"all"})
public class ArrayStackDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayStack arrayStack = new ArrayStack(4);
        String key = "";
        boolean loop = true; //控制菜单
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        while (loop){
            System.out.println("show 显示栈");
            System.out.println("exit 退出栈");
            System.out.println("pop 出栈");
            System.out.println("push 入栈");
            System.out.println("请输入:");
            key = scanner.next();
            switch (key){
                case "show":
                    arrayStack.showStack();
                    break;
                case "exit":
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case "push":
                    System.out.println("请输入要存入的值: ");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayStack.push(value);
                    break;
                case "pop":
                    try {
                        System.out.println(arrayStack.pop() + "出栈");
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                default:
                    System.out.println("输入有误，请重新输入！");
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序结束...");
    }
}

实现结果：

show 显示栈
exit 退出栈
pop 出栈
push 入栈
请输入:
push
请输入要存入的值: 
1
show 显示栈
exit 退出栈
pop 出栈
push 入栈
请输入:
push
请输入要存入的值: 
2
show 显示栈
exit 退出栈
pop 出栈
push 入栈
请输入:
pop
2出栈
show 显示栈
exit 退出栈
pop 出栈
push 入栈
请输入:
show
stack[0] = 1
show 显示栈
exit 退出栈
pop 出栈
push 入栈
请输入:
exit
程序结束...

Process finished with exit code 0

2.综合计算器的实现

2.1 需求简介

简单计算器的实现旨模拟计算机计算表达式。

例： 输入：3+2*6-2

计算机可以通过读取字符串，判断数字或者符号，以及算术符号的优先级进行计算操作，返回正确的结果。

输出：13

2.2 详细思路及分步图解

思路如下：

1.通过一个index索引值来 遍历算式表达式；

2.使用两个栈来模拟。一个为数字栈，一个为符号栈；

3.如果为数字，则入数字栈；

4.如果为符号，则分以下情况：

• 符号栈为空：直接入符号栈；
• 符号栈不为空：将当前符号与符号栈中的栈顶元素进行优先级比较。 如果当前操作符号优先级小于栈顶元素，则取出符号栈的栈顶元素，并从数字栈取出两个数进行运算，得到数字结果入数字栈，并将当前操作符入符号栈。如果当前的操作符的优先级大于符号栈栈顶元素，则直接入符号栈。

5.当表达式扫描完毕，则顺序从数字栈和符号栈取出对应的数字和符号进行计算，将结果继续存入数字栈，直到符号栈为空；

6.此时，数字栈只剩下了计算的结果， 该结果即为表达式的值。

以3+2*6-2为例：

先将3入数字栈

+ 入符号栈

2入数字栈

遇到了 *，将其与符号栈的栈顶元素 + 比较，* 的优先级更高，因此，* 直接入符号栈

6 入数字栈

- 与符号栈栈顶 * 进行比较，-优先级低，因此，将符号栈的栈顶 * 出栈。数字栈依次出栈两个数6、2，计算2*6的值为12，并将12入数字栈，当前操作符- 入符号栈

2 入栈，至此，表达式遍历完成。下面将要开始依次取值计算，直到符号栈为空。

将2、12从数字栈取出，将-从符号栈取出，计算12-2的值10，入数字栈

依次将10、3从数字栈出栈，+从符号栈取出，并计算3+10的值为13，13入数字栈。此时，符号栈为空，运算到此为止，13即为表达式的结果。

2.3 完整代码及测试

在实际编码过程中，如果遇到数字需要继续判断下一位是否为数字，如果为数字，则需要将这几个字符进行拼接字符串的操作，再存入数字栈中。即，需要对多位数进行处理。

为了实现方便，这里我们使用Java自带的stack类。

import java.util.Scanner;
import java.util.Stack;

/**
 * @author 兴趣使然黄小黄
 * @version 1.0
 * 简单计算器实现
 */
@SuppressWarnings({"all"})
public class Calculator {

    public static void main(String[] args) {
        //接收表达式
        System.out.println("请输入表达式: ");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        String expression = scanner.next();
        //创建一个数栈 一个符号栈
        Stack<Integer> numStack = new Stack<>();
        Stack<Integer> operStack = new Stack<>();
        //定义变量
        int index = 0; //用于扫描
        int num1 = 0;
        int num2 = 0;
        int oper = 0;
        int res = 0;
        char ch = ' '; //每次扫描的char保存
        String keepNum = ""; //用于保存多位数字进行拼接
        //扫描计算
        while (true){
            //依次得到expression每一个字符
            ch = expression.substring(index, index+1).charAt(0);
            //判断ch进行相应的处理
            if (isOper(ch)){
                //如果是运算符
                if (operStack.isEmpty()){
                    //判断当前的符号栈是否为空，若为空直接入栈
                    operStack.push((int)ch);
                }else {
                    //符号栈不为空
                    //若当前操作符优先级小于等于栈中的操作符
                    if (priority(ch) <= priority(operStack.peek())){
                        num1 = numStack.pop();
                        num2 = numStack.pop();
                        oper = operStack.pop();
                        res = cal(num1, num2, oper);
                        //将运算结果入数栈
                        numStack.push(res);
                        //将当前的操作符入符号栈
                        operStack.push((int) ch);
                    }else {
                        operStack.push((int) ch);
                    }
                }
            }else {
                //如果是数字直接入数栈
                //需要考虑多位数的情况
                //如果当前位置为数字，则继续向后看，直到为符号或者遍历完成为止
                //已经查看的数字进行字符串拼接，即为正确的数字
                keepNum += ch;
                //如果已经到末尾，则直接入栈
                if (index == expression.length()-1){
                    numStack.push(Integer.parseInt(keepNum));
                }else {
                    //判断下一个字符是否为数字,若是则继续扫描，不是则直接入栈
                    if (isOper(expression.substring(index+1, index+2).charAt(0))){
                        numStack.push(Integer.parseInt(keepNum)); //1的ascII码为49，而ch为字符
                        keepNum = "";
                    }
                }
            }
            //index+1 并判断是否扫描完毕
            index++;
            if (index >= expression.length()){
                break;
            }
        }

        //表达式扫描完毕过后，顺序的从数栈和符号栈取出对应的数字和符号进行运算
        //最后数栈只剩的一个数字为结果
        //也可以判断符号栈是否为空，如果为空则说明数栈只剩一个数
        while (numStack.size() > 1){
            num1 = numStack.pop();
            num2 = numStack.pop();
            oper = operStack.pop();
            res = cal(num1, num2, oper);
            numStack.push(res);
        }
        //打印结果
        System.out.println("结果: " + numStack.pop());
    }

    //返回运算符号的优先级，返回数字越大，优先级越大
    public static int priority(int operation){
        if (operation == '*' || operation == '/'){
            return 1;
        }else if (operation == '+' || operation == '-'){
            return 0;
        }else {
            return -1;
        }
    }

    //判断是否为运算符
    public static boolean isOper(char val){
        return val == '+' || val == '-' || val == '/' || val == '*';
    }

    //计算方法
    public static int cal(int num1, int num2, int operation){
        int res = 0; //存放返回的结果
        switch (operation){
            case '+':
                res = num1 + num2;
                break;
            case '-':
                res = num2 - num1;
                break;
            case '*':
                res = num1 * num2;
                break;
            case '/':
                res = num2 / num1;
                break;
            default:
                break;
        }
        return res;
    }
}

实现结果：

到此这篇关于Java数据结构之栈与综合计算器的实现的文章就介绍到这了,更多相关Java栈 综合计算器内容请搜索自由互联以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自由互联！