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Java數(shù)據(jù)結(jié)構之棧與綜合計算器的實現(xiàn)

更新時間：2022年10月27日 08:25:42 作者：興趣使然黃小黃

這篇文章主要為大家詳細介紹了Java數(shù)據(jù)結(jié)構中棧與綜合計算器的實現(xiàn)，文中的示例代碼講解詳細，具有一定的學習價值，感興趣的小伙伴可以了解一下

1.棧

1.1 棧的簡介

棧（stack）是具有 先進后出 特性的有序列表。即限制線性表中的元素的插入和刪除只能在同一端。

棧頂：允許插入和刪除的一端
棧底：固定的一端

因此，最先放入棧的元素在棧底，最后放入的元素在棧頂。當刪除（出棧）的時候，正好相反，棧頂元素先刪除，即最后放入的元素。

出棧入棧的示意圖如下：

Top初始指向最底端，在數(shù)組模擬時，初始一般為-1。進行入棧操作時，每進一個元素，Top都會自增，指向棧頂元素。出棧則是入棧的逆過程。

1.2 使用數(shù)組模擬棧

因為棧的實現(xiàn)較為簡單，這里直接展示代碼，詳細實現(xiàn)思路可以見代碼注釋。

ArrayStack.java

/**
 * @author 興趣使然黃小黃
 * @version 1.0
 * 用數(shù)組去模擬棧
 */
@SuppressWarnings({"all"})
public class ArrayStack {
    private int maxSize; //棧的大小
    private int[] stack; //用數(shù)組模擬棧
    private int top = -1; //指向棧頂

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

    //判斷棧滿
    public boolean isFull(){
        return top == maxSize - 1;
    }

    //判斷棧空
    public boolean isEmpty(){
        return top == -1;
    }

    //入棧
    public void push(int value){
        //判斷是否滿
        if (isFull()){
            System.out.println("棧已滿，無法入棧!");
            return;
        }
        //入棧操作
        stack[++top] = value;
    }

    //出棧
    public int pop(){
        //先判斷是否為空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("當前棧已空，無法出棧!");
        }
        //出棧操作
        int value = stack[top];
        top--;
        return value;
    }

    //遍歷
    public void showStack(){
        //從棧頂開始遍歷
        if (isEmpty()){
            System.out.println("棧空");
        }
        for (int i = top; i >= 0; i--){
            System.out.printf("stack[%d] = %d\n", i, stack[i]);
        }
    }
}

1.3 棧的測試

測試代碼及結(jié)果如下：

import java.util.Scanner;

/**
 * @author 興趣使然黃小黃
 * @version 1.0
 * 測試棧
 */
@SuppressWarnings({"all"})
public class ArrayStackDemo {

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

        while (loop){
            System.out.println("show 顯示棧");
            System.out.println("exit 退出棧");
            System.out.println("pop 出棧");
            System.out.println("push 入棧");
            System.out.println("請輸入:");
            key = scanner.next();
            switch (key){
                case "show":
                    arrayStack.showStack();
                    break;
                case "exit":
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case "push":
                    System.out.println("請輸入要存入的值: ");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayStack.push(value);
                    break;
                case "pop":
                    try {
                        System.out.println(arrayStack.pop() + "出棧");
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                default:
                    System.out.println("輸入有誤，請重新輸入！");
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序結(jié)束...");
    }
}

實現(xiàn)結(jié)果：

show 顯示棧
exit 退出棧
pop 出棧
push 入棧
請輸入:
push
請輸入要存入的值:
1
show 顯示棧
exit 退出棧
pop 出棧
push 入棧
請輸入:
push
請輸入要存入的值:
2
show 顯示棧
exit 退出棧
pop 出棧
push 入棧
請輸入:
pop
2出棧
show 顯示棧
exit 退出棧
pop 出棧
push 入棧
請輸入:
show
stack[0] = 1
show 顯示棧
exit 退出棧
pop 出棧
push 入棧
請輸入:
exit
程序結(jié)束...

Process finished with exit code 0

2.綜合計算器的實現(xiàn)

2.1 需求簡介

簡單計算器的實現(xiàn)旨模擬計算機計算表達式。

例：輸入：3+2*6-2

計算機可以通過讀取字符串，判斷數(shù)字或者符號，以及算術符號的優(yōu)先級進行計算操作，返回正確的結(jié)果。

輸出：13

2.2 詳細思路及分步圖解

思路如下：

1.通過一個index索引值來遍歷算式表達式；

2.使用兩個棧來模擬。一個為數(shù)字棧，一個為符號棧；

3.如果為數(shù)字，則入數(shù)字棧；

4.如果為符號，則分以下情況：

符號棧為空：直接入符號棧；
符號棧不為空：將當前符號與符號棧中的棧頂元素進行優(yōu)先級比較。如果當前操作符號優(yōu)先級小于棧頂元素，則取出符號棧的棧頂元素，并從數(shù)字棧取出兩個數(shù)進行運算，得到數(shù)字結(jié)果入數(shù)字棧，并將當前操作符入符號棧。如果當前的操作符的優(yōu)先級大于符號棧棧頂元素，則直接入符號棧。

5.當表達式掃描完畢，則順序從數(shù)字棧和符號棧取出對應的數(shù)字和符號進行計算，將結(jié)果繼續(xù)存入數(shù)字棧，直到符號棧為空；

6.此時，數(shù)字棧只剩下了計算的結(jié)果，該結(jié)果即為表達式的值。

以3+2*6-2為例：

先將3入數(shù)字棧

+ 入符號棧

2入數(shù)字棧

遇到了 *，將其與符號棧的棧頂元素 + 比較，* 的優(yōu)先級更高，因此，* 直接入符號棧

6 入數(shù)字棧

- 與符號棧棧頂 * 進行比較，-優(yōu)先級低，因此，將符號棧的棧頂 * 出棧。數(shù)字棧依次出棧兩個數(shù)6、2，計算2*6的值為12，并將12入數(shù)字棧，當前操作符- 入符號棧

2 入棧，至此，表達式遍歷完成。下面將要開始依次取值計算，直到符號棧為空。

將2、12從數(shù)字棧取出，將-從符號棧取出，計算12-2的值10，入數(shù)字棧

依次將10、3從數(shù)字棧出棧，+從符號棧取出，并計算3+10的值為13，13入數(shù)字棧。此時，符號棧為空，運算到此為止，13即為表達式的結(jié)果。

2.3 完整代碼及測試

在實際編碼過程中，如果遇到數(shù)字需要繼續(xù)判斷下一位是否為數(shù)字，如果為數(shù)字，則需要將這幾個字符進行拼接字符串的操作，再存入數(shù)字棧中。即，需要對多位數(shù)進行處理。

為了實現(xiàn)方便，這里我們使用Java自帶的stack類。

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

/**
 * @author 興趣使然黃小黃
 * @version 1.0
 * 簡單計算器實現(xiàn)
 */
@SuppressWarnings({"all"})
public class Calculator {

    public static void main(String[] args) {
        //接收表達式
        System.out.println("請輸入表達式: ");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        String expression = scanner.next();
        //創(chuàng)建一個數(shù)棧 一個符號棧
        Stack<Integer> numStack = new Stack<>();
        Stack<Integer> operStack = new Stack<>();
        //定義變量
        int index = 0; //用于掃描
        int num1 = 0;
        int num2 = 0;
        int oper = 0;
        int res = 0;
        char ch = ' '; //每次掃描的char保存
        String keepNum = ""; //用于保存多位數(shù)字進行拼接
        //掃描計算
        while (true){
            //依次得到expression每一個字符
            ch = expression.substring(index, index+1).charAt(0);
            //判斷ch進行相應的處理
            if (isOper(ch)){
                //如果是運算符
                if (operStack.isEmpty()){
                    //判斷當前的符號棧是否為空，若為空直接入棧
                    operStack.push((int)ch);
                }else {
                    //符號棧不為空
                    //若當前操作符優(yōu)先級小于等于棧中的操作符
                    if (priority(ch) <= priority(operStack.peek())){
                        num1 = numStack.pop();
                        num2 = numStack.pop();
                        oper = operStack.pop();
                        res = cal(num1, num2, oper);
                        //將運算結(jié)果入數(shù)棧
                        numStack.push(res);
                        //將當前的操作符入符號棧
                        operStack.push((int) ch);
                    }else {
                        operStack.push((int) ch);
                    }
                }
            }else {
                //如果是數(shù)字直接入數(shù)棧
                //需要考慮多位數(shù)的情況
                //如果當前位置為數(shù)字，則繼續(xù)向后看，直到為符號或者遍歷完成為止
                //已經(jīng)查看的數(shù)字進行字符串拼接，即為正確的數(shù)字
                keepNum += ch;
                //如果已經(jīng)到末尾，則直接入棧
                if (index == expression.length()-1){
                    numStack.push(Integer.parseInt(keepNum));
                }else {
                    //判斷下一個字符是否為數(shù)字,若是則繼續(xù)掃描，不是則直接入棧
                    if (isOper(expression.substring(index+1, index+2).charAt(0))){
                        numStack.push(Integer.parseInt(keepNum)); //1的ascII碼為49，而ch為字符
                        keepNum = "";
                    }
                }
            }
            //index+1 并判斷是否掃描完畢
            index++;
            if (index >= expression.length()){
                break;
            }
        }

        //表達式掃描完畢過后，順序的從數(shù)棧和符號棧取出對應的數(shù)字和符號進行運算
        //最后數(shù)棧只剩的一個數(shù)字為結(jié)果
        //也可以判斷符號棧是否為空，如果為空則說明數(shù)棧只剩一個數(shù)
        while (numStack.size() > 1){
            num1 = numStack.pop();
            num2 = numStack.pop();
            oper = operStack.pop();
            res = cal(num1, num2, oper);
            numStack.push(res);
        }
        //打印結(jié)果
        System.out.println("結(jié)果: " + numStack.pop());
    }

    //返回運算符號的優(yōu)先級，返回數(shù)字越大，優(yōu)先級越大
    public static int priority(int operation){
        if (operation == '*' || operation == '/'){
            return 1;
        }else if (operation == '+' || operation == '-'){
            return 0;
        }else {
            return -1;
        }
    }

    //判斷是否為運算符
    public static boolean isOper(char val){
        return val == '+' || val == '-' || val == '/' || val == '*';
    }

    //計算方法
    public static int cal(int num1, int num2, int operation){
        int res = 0; //存放返回的結(jié)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;
    }
}

實現(xiàn)結(jié)果：