Java数据结构之栈与综合计算器的实现-Java开发

这篇文章主要为大家详细介绍了Java数据结构中栈与综合计算器的实现，文中的示例代码讲解详细，具有一定的学习价值，感兴趣的小伙伴可以了解一下

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：