数据结构3、基于栈的后缀算术表达式求值

1 题目描述

图1 中缀表达式转化为后缀表达式题目描述
图2 基于栈的后缀算术表达式求值题目描述

2 题目解读

        借助一个运算符栈，可将中缀表达式转化为后缀表达式；借助一个运算数栈，可对后缀表达式求值。借助一个运算符栈和一个运算数栈，则可将中缀表达式转化为后缀表达式输出，并根据后缀表达式计算。

3 小题一：中缀表达式转化为后缀表达式

        借助一个运算符栈，则可以将中缀表达式转化为后缀表达式。

3.1 解题思路

        为实现中缀表达式转换成后缀表达式，可以使用一个工作栈OPTR寄存运算符，初始化为空栈；使用一个字符串Postfix寄存转换得到的后缀表达式，初始化为空串。具体步骤如下。

（1）初始化OPTR栈，将表达式起始符“#”压入OPTR栈。

（2）扫描表达式，读入第一个字符ch，如果表达式没有扫描完毕至“=”或OPTR的栈顶元素不为“#”时，则循环执行以下操作。

  • 若ch不是运算符，则加入字符串Postfix。
  • 若ch是运算符，则根据OPTR的栈顶元素和ch的优先级比较结果，进行以下不同的处理。

        a.若是小于，则ch压入OPTR栈，读入下一字符ch。

        b.若是大于，则弹出OPTR栈顶的运算符，加入字符串Postfix。

        c.若是等于，则OPTR的栈顶元素是“(”且ch是“)”，这时弹出OPTR栈顶的“(”，相当于括号匹配成功，然后读入下一字符ch。

（3）字符串Postfix中的元素即为后缀表达式，返回后缀表达式。

3.2 设计代码

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
//函数结果状态代码
#define OK 1
#define ERROR 0
#define OVERFLOW -2
//------顺序栈的存储结构------
#define MAXSIZE 100  //顺序栈存储空间的初始分配量
typedef char SElemType;
typedef struct
{SElemType *base; //栈底指针SElemType *top;  //栈顶指针int stacksize;   //栈可用的最大容量
}SqStack;
//Status是函数返回值类型，其值是函数结果状态代码
typedef int Status;
Status InitStack(SqStack &S);
Status Push(SqStack &S, SElemType e);
Status Pop(SqStack &S, SElemType &e);
SElemType GetTop(SqStack S);
//表达式求值相关算法
bool In(SElemType ch);
SElemType Precede(SElemType optr, SElemType ch);
//中缀表达式转化为后缀表达式
string ztoh(char ch);
int main() {char ch;while (true) {cin >> ch;if ('=' == ch) {break;}string res = ztoh(ch);cout << res << endl;}return 0;
}
string ztoh(char ch)
{SqStack OPTR;InitStack(OPTR);Push(OPTR, '#');string Postfix = "";//表达式未读完 或 OPTR栈有运算符while (ch != '=' || GetTop(OPTR) != '#'){if (!In(ch)) {Postfix.push_back(ch);cin >> ch;}else {switch (Precede(GetTop(OPTR), ch)){case '<':Push(OPTR, ch); cin >> ch;break;case '>':char theta;Pop(OPTR, theta);Postfix.push_back(theta);break;case '=':char x;Pop(OPTR, x); cin >> ch;break;}}}return Postfix;
}
//判定读入的字符ch是否为运算符的函数
bool In(SElemType ch)
{if (ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' ||ch == '(' || ch == ')' || ch == '=') {return true;}return false;
}
//判定运算符栈的栈顶元素与读入的运算符之间优先关系的函数
SElemType Precede(SElemType optr, SElemType ch)
{//规则（1）先乘除，后加减if ((optr == '+' || optr == '-') && (ch == '*' || ch == '/')) {return '<';}else if ((optr == '*' || optr == '/') && (ch == '+' || ch == '-')) {return '>';}//规则（2）从左算到右if (((optr == '+' || optr == '-') && (ch == '+' || ch == '-')) ||((optr == '*' || optr == '/') && (ch == '*' || ch == '/'))) {return '>';}//规则（3）先括号内，后括号外//optr不会出现右括号if (optr == '+' || optr == '-' || optr == '*' || optr == '/') {if (ch == '(') {return '<';}else if (ch == ')' || ch == '=') {return '>';}}else if (optr == '(') {if (ch == ')') {return '=';}else if (ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' || ch == '(') {return '<';}}//optr中只有'#'的情况if (optr == '#' &&(ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' || ch == '(')) {//ch肯定不是'='return '<';}
}
Status InitStack(SqStack &S)
{S.base = new SElemType[MAXSIZE];if (!S.base) exit(OVERFLOW);S.top = S.base;S.stacksize = MAXSIZE;return OK;
}
Status Push(SqStack &S, SElemType e)
{if (S.top - S.base == S.stacksize) return ERROR;*S.top++ = e;return OK;
}
Status Pop(SqStack &S, SElemType &e)
{if (S.top == S.base) return ERROR;e = *--S.top;return OK;
}
SElemType GetTop(SqStack S)
{if (S.top != S.base) {return *(S.top - 1);}
}

3.3 执行结果

图3 中缀表达式转化为后缀表达式代码执行结果

4 小题二：基于栈的后缀算术表达式求值

        借助一个运算数栈可对后缀表达式进行求值。

4.1 解题思路

        将中缀表达式转换为后缀表达式之后，对转换后得到的后缀表达式进行计算的具体步骤如下。

        借助一个工作栈OPND，用以寄存操作数或运算结果。从左到右扫描后缀表达式，读入第一个字符ch。若ch不是运算符，则压入OPND栈，读入下一字符；若ch是运算符，则从OPND栈中依次弹出两个数分别到Y和X，然后以“X ch Y”的形式计算出结果，将结果压入OPND栈中。如果后缀表达式未读完，重复执行上面过程，最后OPND栈顶元素即为表达式的求值结果，返回此元素。

4.2 设计代码

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
//函数结果状态代码
#define OK 1
#define ERROR 0
#define OVERFLOW -2
//Status是函数返回值类型，其值是函数结果状态代码
#define MAXSIZE 100 //顺序栈存储空间的初始分配量
typedef int Status;
typedef char SElemType;
typedef struct
{double *base; //栈底指针double *top;  //栈顶指针int stacksize;//栈可用的最大容量
}SqStack2;
Status InitStack2(SqStack2 &S);
Status Push2(SqStack2 &S, double e);
Status Pop2(SqStack2 &S, double &e);
double GetTop2(SqStack2 S);
//表达式求值相关函数
bool In(SElemType ch);
SElemType Precede(SElemType optr, SElemType ch);
double Operate(double x, SElemType theta, double y);
//计算后缀表达式
double calh(SElemType ch);
int main() {SElemType ch;while (true) {cin >> ch;if ('=' == ch) {break;}double res = calh(ch);//保留小数点后面2位cout << fixed << setprecision(2) << res << endl;}return 0;
}
double calh(SElemType ch)
{SqStack2 OPND;InitStack2(OPND);while (ch != '='){if (!In(ch)) {//读入的数没有多位数、小数Push2(OPND, double(ch - 48));}else {double x, y;Pop2(OPND, y);Pop2(OPND, x);Push2(OPND, Operate(x, ch, y));}cin >> ch;}return GetTop2(OPND);
}
//判定读入的字符ch是否为运算符的函数
bool In(SElemType ch)
{if (ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' ||ch == '(' || ch == ')' || ch == '=') {return true;}return false;
}
//判定运算符栈的栈顶元素与读入的运算符之间优先关系的函数
SElemType Precede(SElemType optr, SElemType ch)
{//规则（1）先乘除，后加减if ((optr == '+' || optr == '-') && (ch == '*' || ch == '/')) {return '<';}else if ((optr == '*' || optr == '/') && (ch == '+' || ch == '-')) {return '>';}//规则（2）从左算到右if (((optr == '+' || optr == '-') && (ch == '+' || ch == '-')) ||((optr == '*' || optr == '/') && (ch == '*' || ch == '/'))) {return '>';}//规则（3）先括号内，后括号外//optr不会出现右括号if (optr == '+' || optr == '-' || optr == '*' || optr == '/') {if (ch == '(') {return '<';}else if (ch == ')' || ch == '=') {return '>';}}else if (optr == '(') {if (ch == ')') {return '=';}else if (ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' || ch == '(') {return '<';}}//optr中只有'#'的情况if (optr == '#' &&(ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' || ch == '(')) {//ch肯定不是'='return '<';}
}
//进行二元运算的函数
double Operate(double x, SElemType theta, double y)
{double z;switch (theta){case '+':z = x + y;break;case '-':z = x - y;break;case '*':z = x * y;break;case '/':z = x / y;break;default:z = 0;}return z;
}
Status InitStack2(SqStack2 &S)
{S.base = new double[MAXSIZE];if (!S.base) exit(OVERFLOW);S.top = S.base;S.stacksize = MAXSIZE;return OK;
}
Status Push2(SqStack2 &S, double e)
{if (S.top - S.base == S.stacksize) return ERROR;*S.top++ = e;return OK;
}
Status Pop2(SqStack2 &S, double &e)
{if (S.top == S.base) return ERROR;e = *--S.top;return OK;
}
double GetTop2(SqStack2 S)
{if (S.top != S.base) {return *(S.top - 1);}
}

4.3 执行结果

图4 基于栈的后缀算术表达式求值代码执行结果

5 基于栈的后缀算术表达式求值实验

        在基于栈的后缀算术表达式求值实验中，借助栈，可以将中缀算术表达式转换为后缀表达式，并基于后缀表达式求值。

5.1 解题思路

        将小题一和小题二合并起来，则可完成基于栈的后缀算术表达式实验。

5.2 设计代码

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
//函数结果状态代码
#define OK 1
#define ERROR 0
#define OVERFLOW -2
//Status是函数返回值类型，其值是函数结果状态代码
#define MAXSIZE 100  //顺序栈存储空间的初始分配量
typedef int Status;
typedef struct
{char *base; //栈底指针char *top;  //栈顶指针int stacksize;   //栈可用的最大容量
}SqStack;
Status InitStack(SqStack &S);
Status Push(SqStack &S, char e);
Status Pop(SqStack &S, char &e);
char GetTop(SqStack S);
typedef struct
{double *base; //栈底指针double *top;  //栈顶指针int stacksize;//栈可用的最大容量
}SqStack2;
Status InitStack2(SqStack2 &S);
Status Push2(SqStack2 &S, double e);
Status Pop2(SqStack2 &S, double &e);
double GetTop2(SqStack2 S);
//表达式求值相关函数
bool In(char ch);
char Precede(char optr, char ch);
double Operate(double x, char theta, double y);
//中缀表达式 转 后缀表达式
string ztoh(char ch);
//计算后缀表达式
int calh(string res);
int main() {char ch;while (true) {cin >> ch;if ('=' == ch) {break;}string res = ztoh(ch);cout << res << endl;int r = calh(res);cout << r << endl;}return 0;
}
string ztoh(char ch)
{SqStack OPTR;InitStack(OPTR);Push(OPTR, '#');string Postfix = "";while (ch != '=' || GetTop(OPTR) != '#'){if (!In(ch)) {Postfix.push_back(ch);cin >> ch;}else {switch (Precede(GetTop(OPTR), ch)){case '<':Push(OPTR, ch); cin >> ch;break;case '>':char theta;Pop(OPTR, theta);Postfix.push_back(theta);break;case '=':char x;Pop(OPTR, x); cin >> ch;break;}}}return Postfix;
}
int calh(string res)
{SqStack2 OPND;InitStack2(OPND);int i = 0;char ch = res[i++];while (ch != '\0'){if (!In(ch)) {Push2(OPND, double(ch - 48));}else {double x, y;Pop2(OPND, y);Pop2(OPND, x);Push2(OPND, Operate(x, ch, y));}ch = res[i++];//cin >> ch;}return GetTop2(OPND);
}
//判定读入的字符ch是否为运算符的函数
bool In(char ch)
{if (ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' ||ch == '(' || ch == ')' || ch == '=') {return true;}return false;
}
//判定运算符栈的栈顶元素与读入的运算符之间优先关系的函数
char Precede(char optr, char ch)
{//规则（1）先乘除，后加减if ((optr == '+' || optr == '-') && (ch == '*' || ch == '/')) {return '<';}else if ((optr == '*' || optr == '/') && (ch == '+' || ch == '-')) {return '>';}//规则（2）从左算到右if (((optr == '+' || optr == '-') && (ch == '+' || ch == '-')) ||((optr == '*' || optr == '/') && (ch == '*' || ch == '/'))) {return '>';}//规则（3）先括号内，后括号外//optr不会出现右括号if (optr == '+' || optr == '-' || optr == '*' || optr == '/') {if (ch == '(') {return '<';}else if (ch == ')' || ch == '=') {return '>';}}else if (optr == '(') {if (ch == ')') {return '=';}else if (ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' || ch == '(') {return '<';}}//optr中只有'#'的情况if (optr == '#' &&(ch == '+' || ch == '-' || ch == '*' || ch == '/' || ch == '(')) {//ch肯定不是'='return '<';}
}
//进行二元运算的函数
double Operate(double x, char theta, double y)
{double z;switch (theta){case '+':z = x + y;break;case '-':z = x - y;break;case '*':z = x * y;break;case '/':z = x / y;break;default:z = 0;}return z;
}
Status InitStack(SqStack &S)
{S.base = new char[MAXSIZE];if (!S.base) exit(OVERFLOW);S.top = S.base;S.stacksize = MAXSIZE;return OK;
}
Status Push(SqStack &S, char e)
{if (S.top - S.base == S.stacksize) return ERROR;*S.top++ = e;return OK;
}
Status Pop(SqStack &S, char &e)
{if (S.top == S.base) return ERROR;e = *--S.top;return OK;
}
char GetTop(SqStack S)
{if (S.top != S.base) {return *(S.top - 1);}
}
Status InitStack2(SqStack2 &S)
{S.base = new double[MAXSIZE];if (!S.base) exit(OVERFLOW);S.top = S.base;S.stacksize = MAXSIZE;return OK;
}
Status Push2(SqStack2 &S, double e)
{if (S.top - S.base == S.stacksize) return ERROR;*S.top++ = e;return OK;
}
Status Pop2(SqStack2 &S, double &e)
{if (S.top == S.base) return ERROR;e = *--S.top;return OK;
}
double GetTop2(SqStack2 S)
{if (S.top != S.base) {return *(S.top - 1);}
}

5.3 执行结果

图5 基于栈的后缀算术表达式求值实验代码执行结果

6 解题心得

  • 借助一个运算符栈，可以将中缀表达式转换为后缀表达式。
  • 借助一个运算数栈，可以对后缀表达式进行求值。
  • 基于栈的中缀算术表达式求值算法，和基于栈的后缀算术表达式求值算法，是两种重要的表达式求值算法。

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