数据结构与算法_栈——逆波兰表达式求值 _python实现

先告诉你两个知识点:

  • 前缀表达式又称波兰式,前缀表达式的运算符位于操作数之前,这里所说的表达式就是我们平时进行数学运算时所用的数学表达式。
  • 后缀表达式就是标题所说的逆波兰表达式,和我们平时把运算符号位于操作数之间不同,后缀表达式将运算符置于操作数之后。

举例说明:6-1+3*2 = 11就是一个中缀表达式。

对应的波兰式,即前缀表达式为:[’-’, ‘6’, ‘1’, ‘*’, ‘+’ ,‘3’, ‘2’]

对应的逆波兰式,即后缀表达式为:[‘6’, ‘1’, ‘-’, ‘3’, ‘2’, ‘*’, ‘+’]

三种表达式的求值方法

前缀表达式计算机求值
从右至左扫描表达式,遇到数字时,将数字压入堆栈,遇到运算符时,弹出栈顶的两个数,用运算符对它们做相应的计算(栈顶元素 和 次顶元素),并将结果入栈;重复上述过程直到表达式最左端,最后运算得出的值即为表达式的结果

例如: (3+4)×5-6 对应的前缀表达式就是 - × + 3 4 5 6 , 针对前缀表达式求值步骤如下:

  1. 从右至左扫描,将6、5、4、3压入堆栈
  2. 遇到+运算符,因此弹出3和4(3为栈顶元素,4为次顶元素),计算出3+4的值,得7,再将7入栈
  3. 接下来是×运算符,因此弹出7和5,计算出7×5=35,将35入栈
  4. 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果

中缀表达式

  1. 中缀表达式就是常见的运算表达式,如(3+4)×5-6

  2. 中缀表达式的求值是我们人最熟悉的,但是对计算机来说却不好操作(前面我们讲的案例就能看的这个问题),因此,在计算结果时,往往会将中缀表达式转成其它表达式来操作(一般转成后缀表达式.)

后缀表达式

  1. 后缀表达式又称逆波兰表达式,与前缀表达式相似,只是运算符位于操作数之后

  2. 举例说明: (3+4)×5-6 对应的后缀表达式就是 3 4 + 5 × 6 –

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  3. 再比如:
    在这里插入图片描述

后缀表达式的计算机求值
从左至右扫描表达式,遇到数字时,将数字压入堆栈,遇到运算符时,弹出栈顶的两个数,用运算符对它们做相应的计算(次顶元素 和 栈顶元素),并将结果入栈;重复上述过程直到表达式最右端,最后运算得出的值即为表达式的结果

例如: (3+4)×5-6 对应的后缀表达式就是 3 4 + 5 × 6 - , 针对后缀表达式求值步骤如下:

  1. 从左至右扫描,将3和4压入堆栈;
  2. 遇到+运算符,因此弹出4和3(4为栈顶元素,3为次顶元素),计算出3+4的值,得7,再将7入栈;
  3. 将5入栈;
  4. 接下来是×运算符,因此弹出5和7,计算出7×5=35,将35入栈;
  5. 将6入栈;
  6. 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果

从上面三种表达式的求值方式中看出,后缀表达式的计算机实现最为便捷。使用栈结构来进行计算易于实现。

中缀表达式转换为后缀表达式

这是实现普通表达式运算的最为复杂的一步,具体算法涉及到很多细节:

  1. 初始化两个栈:运算符栈s1和储存中间结果的栈s2;

  2. 从左至右扫描中缀表达式;

  3. 遇到操作数时,将其压s2;

  4. 遇到运算符时,比较其与s1栈顶运算符的优先级

  5. 如果s1为空,或栈顶运算符为左括号“(”,则直接将此运算符入栈;

    否则,若优先级比栈顶运算符的高,也将运算符压入s1;
    否则,将s1栈顶的运算符弹出并压入到s2中,再次转到(4-1)与s1中新的栈顶运算符相比较;

  6. 遇到括号时:(1) 如果是左括号“(”,则直接压入s1(2)
    如果是右括号“)”,则依次弹出s1栈顶的运算符,并压入s2,直到遇到左括号为止,此时将这一对括号丢弃 重复步骤2至5,直到表达式的最右边

  7. 将s1中剩余的运算符依次弹出并压入s2

  8. 依次弹出s2中的元素并输出,结果的逆序即为中缀表达式对应的后缀表达式

    具体代码:

expression = "6-1+3*2"#中缀表达式
print("原式为中缀表达式 :"+expression)
Expression=list(expression)
s1 = stack()
s2 = list()
oper = Operation()
for item in list(Expression):
    if re.findall(r'\d+',item):
        s2.append(item)
    elif item=='(':
        s1.push(item)
    elif item==')':
        while (s1.peek()!='('):
            s2.append(s1.pop())
        s1.pop()
    else:
        while s1.size()!=0 and oper.getValue(s1.peek())>=oper.getValue(item):
            s2.append(s1.pop())
        s1.push(item)
while s1.size()!=0:
    s2.append(s1.pop())
    
print("转化得到的后缀表达式列表:",end='')
print(s2)

计算后缀表达式的结果

这个步骤较为简单,只需要初始化一个栈,并对后缀表达式进行逐个扫描判断即可。具体算法如下:
1)初始化一个栈,命名为stack
2)使用循环结构扫描传入的后缀表达式expression
3)每次循环判断是否为数字:
若是数字,则压入stack中
若不是,则判断其为何种运算符,进行对应的运算且将结果赋值给result
4)最后栈中只会留下一个值,该值就是后缀表达式的运算结果。
具体代码:

'''
计算后缀表达式的结果
'''
#suffixExpression = "10 4 + 5 * 6 -" 
#split = suffixExpression.split(' ')
#stack = []
s = stack()
for item in list(s2):
    if re.findall(r'\d+',item):
        s.push(item)
    else:
        num2 =int( s.pop())
        num1 =int( s.pop())
        res = 0
        if item=='+':
            res = num1 + num2
        elif item=='-':
            res = num1 - num2
        elif item=='*':
            res = num1 * num2
        elif item=='/':
            res = num1 / num2
        else:
            print("符号错误")
        s.push(''+str(res))
        
print("计算得后缀表达式得: %s = %d"%(expression,int(s.pop())))
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