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Java数据结构和算法(六)——前缀、中缀、后缀表达式
阅读量:733 次
发布时间:2019-03-22

本文共 2071 字,大约阅读时间需要 6 分钟。

算术表达式解析及其与数据结构的关系

在前面的介绍中,我们提到数组、栈和队列三种数据结构,其中栈在计算机科学中具有重要的应用价值。除了单词逆序和匹配关键字符等功能,栈还可以用来处理算术表达式的解析问题。那么,栈在算术表达式解析中的作用是什么?再者,中缀表达式与栈又有什么关系呢?

如何解析算术表达式?

在日常生活中,我们常常会遇到算术表达式的解析问题。比如,面对一个简单的算术表达式“3+4-5”,我们是如何计算出结果的?

① 求值 3+4-5

对于“3+4-5”这一表达式,我们在阅读“+”和“-”两个操作符时,需要根据运算符的优先级来决定何时进行计算。加法和减法的优先级相同,因此可以按照从左到右的顺序依次计算:

  • 首先计算3+4=7
  • 然后用7-5=2
  • 这一过程说明,我们在解析算术表达式时,需要遵循以下规则:

  • 从左到右读取算式:按照运算符的出现顺序依次处理
  • 已读到可以计算的两个操作数和一个操作符时,可以计算:将两个操作数和操作符结合起来执行相应的运算
  • 继续这个过程,直到表达式的结尾:直到所有的运算符都被处理过
  • ② 求值 3+4*5

    对于“3+45”这一表达式,加法和乘法的优先级不同。乘法的优先级高于加法,因此我们需要先计算45=20,然后再计算3+20=23。

    通过这两个例子可以看出,解析算术表达式需要遵循运算符的优先级规则。

    计算机如何解析算术表达式?

    虽然人可以凭借大脑处理这些规则,但计算机的处理方式却大不相同。计算机需要从左到右依次读取算式中的操作数和操作符。当遇到一个可以执行的运算时(即读到了两个操作数和一个操作符),就立即执行计算,直到整个表达式被完全解析。

    然而,计算机无法像人一样凭借直觉处理运算符的优先级问题,因此需要设计复杂的逻辑电路来模拟这种规则。为了解决这一难题,计算机科学家提出了三种表达式的写法:前缀表达式中缀表达式后缀表达式

    前缀表达式、中缀表达式和后缀表达式的定义

  • 前缀表达式:操作符在操作数的前面,例如“+-543”
  • 中缀表达式:操作符在操作数的中间,这是人类最容易阅读的表达式形式,例如“3+4-5”
  • 后缀表达式:操作符在操作数的后面,例如“34+5-”
  • 其中,中缀表达式是最常见的表达方式,但计算机解析中缀表达式较为复杂。为了方便计算机处理,中缀表达式可以转换为前缀表达式或后缀表达式。

    后缀表达式

    后缀表达式的特点是所有的运算符都位于操作数的后面,计算顺序严格遵循从左到右的顺序,不考虑运算符的优先级。计算机解析后缀表达式的过程非常简单,只需要从左到右扫描,遇到运算符时,将其放在当前两个操作数的前面即可。

    如何将中缀表达式转换为后缀表达式?

    要将中缀表达式转换为后缀表达式,可以使用栈来辅助操作。具体步骤如下:

  • 初始化栈:定义一个运算符栈和一个结果栈
  • 遍历中缀表达式:从左到右逐个读取字符
  • 处理字符
    • 如果是括号,根据类型(左括号或右括号)进行相应的处理
    • 如果是运算符,弹出栈顶的运算符并将其压入结果栈,直到遇到左括号或更低优先级的运算符
    • 如果是操作数,直接压入结果栈
  • 结束处理:结束遍历后,将栈中的运算符依次弹出,得到最终的后缀表达式
  • 计算机如何实现后缀表达式的运算?

    在计算机中,后缀表达式的解析过程非常简单。只需从左到右扫描表达式,将每个运算符依次放置在当前操作数的前面,直到所有运算符都被处理过。具体实现如下:

  • 初始化栈:定义一个栈来存储操作数
  • 遍历后缀表达式:从左到右逐个读取字符
  • 处理字符
    • 如果是数字,直接压入栈
    • 如果是运算符,弹出栈顶的两个操作数,执行运算并将结果压入栈
  • 返回结果:当所有字符处理完毕后,栈中只剩下最终结果
  • 前缀表达式

    前缀表达式的特点是所有的运算符都位于操作数的前面,严格从右到左进行计算。与后缀表达式相比,前缀表达式的解析方式有着显著的不同。

    如何将中缀表达式转换为前缀表达式?

    将中缀表达式转换为前缀表达式的过程与转换为后缀表达式类似,主要区别在于处理运算符优先级时的规则。具体步骤如下:

  • 初始化栈:定义一个运算符栈和一个结果栈
  • 遍历中缀表达式:从右到左逐个读取字符
  • 处理字符
    • 如果是括号,根据类型(左括号或右括号)进行相应的处理
    • 如果是运算符,弹出栈顶的运算符并将其压入结果栈,直到遇到右括号或更高优先级的运算符
    • 如果是操作数,直接压入结果栈
  • 结束处理:结束遍历后,栈中将包含最终的前缀表达式
  • 计算机如何实现前缀表达式的运算?

    前缀表达式的解析过程与后缀表达式类似,但方向相反。计算机从右到左读取表达式,将运算符依次放置在操作数的前面,直到所有运算符都被处理过。具体实现如下:

  • 初始化栈:定义一个栈来存储操作数
  • 遍历前缀表达式:从右到左逐个读取字符
  • 处理字符
    • 如果是数字,直接压入栈
    • 如果是运算符,弹出栈顶的两个操作数,执行运算并将结果压入栈
  • 返回结果:当所有字符处理完毕后,栈中只剩下最终结果
  • 通过以上方法,我们可以清晰地看出栈在算术表达式解析中的重要作用。无论是中缀表达式、前缀表达式还是后缀表达式,栈都为其解析提供了高效的解决方案。

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