227. 基本计算器 II

news2024/11/20 22:38:37

227. 基本计算器 II

题目
算法设计：栈
扩展：后缀表达式

题目

传送门：https://leetcode.cn/problems/basic-calculator-ii/submissions/

算法设计：栈

一个功能完备的计算器功能，有很多功能，我们需要从最简单的功能迭代起来。

先宏观，再微分：

输入：字符串，需要把字符串转为数字
功能：加减、乘除优先、括号优优先
细节：读到空格跳过、不溢出整型最大值

计算的关键在于优先级处理，括号 > 乘除 > 加减。

第一步，字符串转整数。

int str_to_int( string s ){            // 字符串转整数
	int num = 0;
	for( int i=0; str.length(); i++ )
		if( isdigit(str[i]) )          // 输入字符串为数字
			num = 10 * num + (c - '0');
}

第二步，实现加减。

核心思路是把字符串分解成符号和数字的组合，如 2 - 3，变成 +2、-3。

int calculate(string s) {
    stack<int> stk;                                 // 记录算式中的数字
    int num = 0;                                    // 保存字符串转数字后的数字
    char sign = '+';                                // 记录每个数字之前的运算符，因为第一个数字没有符号的（3-2），设置为符号+(+3-2)，如果第一个数是负数，那就是 +0
    for (int i = 0; i < s.size(); i++) {            // 遍历字符串
        if (isdigit(s[i]))                          // 读到数字
            num = 10 * num + (s[i] - '0');          // "123" -> 100 + 20 + 3 -> 123
         if ( (!isdigit(c) && c != ' ') || i == s.size() - 1 ) {  // s[i]是符号且不是空格（运算符） or 最后一个字符之后没有符号可读取了，所以也要入栈直接计算
            switch (sign) {                         // 看数字前的 sign 来决定怎么处理 s[i] 前面的数
                case '+':
                    stk.push(num); break;           // 加法将之前的数字入栈
                case '-':
                    stk.push(-num); break;          // 加法将之前数字的相反数入栈
            }
            sign = s[i];                            // 更新符号为当前符号
            // 把 3-2 代入分析，初始sign为+，遍历到s[0]把'3'->3，再遍历s[1]到'-'，后遍历到s[2]让+3入栈，更新sign为'-'。
            num = 0;                                // 数字清零，计算下一个数字
        }
    }
    // 将栈中所有结果求和就是答案
    int res = 0;
    while (!stk.empty()) {
        res += stk.top();
        stk.pop();
    }
    return res;
}

第三步，实现乘除。

核心思路依然是把字符串分解成符号和数字的组合，如 1*4，如 +1、*4。

乘除法优先于加减法体现在，乘除法可以和栈顶的数结合，而加减法只能把自己放入栈。

class Solution {
public:
    int calculate(string s) {
    	stack<int> stk;                                 
    	int num = 0;                                    
    	char sign = '+';                                
    	for (int i = 0; i < s.size(); i++) {
    		if (isdigit(s[i])) 
        		num = 10 * num + (s[i] - '0');
    		if ( (!isdigit(s[i]) && s[i] != ' ') || i == s.size() - 1 ) {
        		switch (sign) {
            		int pre;
            		case '+':
                		stk.push(num); break;
            		case '-':
                		stk.push(-num); break;
            		case '*':
                		pre = stk.top();             // 只要拿出前一个数字做对应运算即可
                		stk.pop();
                		stk.push(pre * num);
                		break;
            		case '/':
                		pre = stk.top();             // 只要拿出前一个数字做对应运算即可
                		stk.pop();
                		stk.push(pre / num);
                		break;
        		}
        		sign = s[i];
        		num = 0;
    		}
		}
    	// 将栈中所有结果求和就是答案
    	int res = 0;
    	while (!stk.empty()) {
        	res += stk.top();
        	stk.pop();
    	}
    	return res;
	}
};

第四步，处理括号。

括号具有递归性质。

calc(3 * (4 - 5/2) - 6)
= 3 * calc(4 - 5/2) - 6
= 3 * 2 - 6
= 0

无论多少层括号嵌套，通过 calc 函数递归调用自己，都可以将括号中的算式化简成一个数字。

括号包含的算式，直接视为一个数字就可。

遇到 ( 开始递归
遇到 ) 结束递归

class Solution:
    def calculate(self, s: str) -> int:
        def calc(s: List) -> int:
            stack = []
            sign = '+'
            num = 0
            while len(s) > 0:
                c = s.popleft()
                if c.isdigit():
                    num = 10 * num + int(c)
                    
                # 遇到左括号开始递归计算 num
                if c == '(':
                    num = calc(s)

                if (not c.isdigit() and c != ' ') or len(s) == 0:
                    if sign == '+':
                        stack.append(num)
                    elif sign == '-':
                        stack.append(-num)
                    elif sign == '*':
                        stack[-1] = stack[-1] * num
                    elif sign == '/':
                        # python 除法向 0 取整的写法
                        stack[-1] = int(stack[-1] / float(num))       
                    num = 0
                    sign = c
                    
                # 遇到右括号返回递归结果
                if c == ')': break
                
            return sum(stack)
        return calc(collections.deque(s))

你看，加了两三行代码，就可以处理括号了。

C++ 完整代码：

class Solution {
public:
    int calculate(string str) {
        int index = 0;
        return calc(str, index);
    }

    int calc(string &s, int &index) {
        stack<int> tokens;
        int num = 0;
        char sign = '+';

        for (; index < s.size() + 1; ++index) {
            char c = s[index];
            if (isdigit(c)) 
                num = num * 10 + (c - '0');
            if (c == '(') {
                index++;
                num = calc(s, index);
                continue;
            }
            if (!isdigit(c) && c != ' ') {
                int temp;
                switch (sign) {
                    case '+':
                        tokens.push(num);
                        break;
                    case '-':
                        tokens.push(-num);
                        break;
                    case '*':
                        temp = tokens.top();
                        tokens.pop();
                        tokens.push(temp * num);
                        break;
                    default:
                        temp = tokens.top();
                        tokens.pop();
                        tokens.push(temp / num);
                }
                num = 0;
                sign = c;
            }
            if (c == ')')
                break;
        }
        int result = 0;
        while (!tokens.empty()) {
            result += tokens.top();
            tokens.pop();
        }
        return result;
    }
};

至此，计算器的全部功能就实现了，通过对问题的层层拆解化整为零。

扩展：后缀表达式

计算思路：先把中缀表达式转化为后缀表达式，所有符号都在运算数字后面出现，可以不用括号了。

中缀表达式：9 + (3-1) * 3 + 10 / 2
后缀表达式：9 3 1 - 3 * + 10 2 / +

再从左到右遍历后缀表达式，遇到数字就进栈，遇到符号就将处于栈顶俩个数字出栈运算，运算结果入栈，一直重复，就可以计算出最终结果。

那怎么把中缀表达式转化为后缀表达式？

从左到右遍历中缀表达式的每个数字和符号，若是数字就加入后缀表达式。

引入一个栈存储符号：