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4算术表达式的求解

 

设计性综合性实验

 

实验课题名称:

算术表达式的求解

院系:

计算机科学与技术学院专业:

物联网工程

 

2013.9至2014.6学年度1学期

实验名称:

算术表达式的求解

实验性质:

  设计性(*) 综合性(*)

实验器材:

PC机并装有VC++6.0环境

实验目的:

利用栈结构进行算术表达式的求解

实验任务:

可以用栈来实现运算符的优先级完成算术表达式的求解。

为实现算法的优先级,设置两个栈:

一个称为操作数栈opnd,用以寄存操作数和运算结果,另一个为操作符栈optr,用以寄存运算符。

(1)首先置操作数栈opnd为空栈,表达式结束符“#”为操作符栈optr的栈底元素。

(2)依次读入表达式中每个字符,若为操作数,则进opnd栈;若是运算符,则与optr栈的栈顶运算符比较优先级后做相应操作:

若当前操作符大于optr栈的栈顶,则当前操作符入栈;否则,opnd栈的栈顶元素、次栈顶元素出栈,同时optr栈的栈顶元素也出栈,形成运算,并将结果压入opnd栈,直至整个表达式求值完毕(即optr栈的栈顶元素和当前读入的字符均为“#”)。

对于算术表达式的输入,本程序采用gets()的方法读入,将运算符‘+’,‘-’,‘*’,‘/’,‘(’,‘)’,‘#’存储在数组中时,定义表达式求解函数,在函数中判断读入的字符,如果是运算符,将这些字符入操作符optr栈,并比较优先级,判断是否运算。

若读入的字符为‘0’到‘9’之间的数字时,用字符相减转化为整型,然后将转化后的整型再转化为ASCII的形式压入操作数栈opnd中。

实验内容、过程及结果:

一.问题描述

给定一个算数表达式,通过程序求出最后的结果。

1、从键盘输入要求解的算术表达式;

2、采用栈结构进行算数表达式的求解过程;

3、能够判断算数表达式的正确与否;

4、对于错误表达式给出提示;

5、对于正确表达时给出最后的结果。

二.设计思路

(1)存储结构设计

本程序主要采用顺序栈结构类型(Stack)来存储表达式计算中的数据。

程序中需要建立两个栈,一个栈用于寄存运算符,另一个则用于寄存操作数和计算结果,故需要建立两个顺序栈结构类型。

(2)算数优先级设计

对一任意的表达式,由于表达式中运算符的优先级不同,可能会使表达式不按顺序进行计算。

在本程序中定义函数Proceed()来比较运算符的优先级,而函数中各优先级的比较主要根据以下优先级比较的表格:

 

运算符优先级

运算符

+

-

*

/

#

用数字表示

0

1

2

3

4

5

6

栈内操作符的优先级

3

3

5

5

1

6

0

栈外操作符的优先级

2

2

4

4

6

1

0

在Precede()函数中定义两个字符型参数变量op和c,其中op表示栈顶运算符,c表示当前读入运算符,对于当前运算符是否入栈,进行如下操作:

比较当前运算符和栈顶运算符的优先级的大小:

1、如果当前运算符的优先级大于栈顶运算符的优先级,即op

2、如果当前运算符的优先级小于栈顶运算符的优先级,即op>c;令函数返回值为'>',此时应将栈顶运算符出栈和栈顶、次栈顶操作数出栈并进行相应的运算。

3、如果当前元素的优先级等于栈顶运算符的优先级,即op=c;令函数的返回值为'=',此时界限符内的表达式已计算完毕。

 

(3)程序模块设计

1)程序模块

本程序主要包含3个模块:

主程序模块、计算模块以及顺序栈操作模块,调用关系如图所示:

图1:

程序模块图

2)函数之间主要调用的关系图

本程序主要包含10个程序,各程序之间的关系如图所示:

(部分函数用以上的编号表示)

 

 

 

图2:

函数之间调用关系图

三.解决问题

四.实现

1.功能函数设计

本程序大致包含10个函数,其中包含主函数。

每个函数都有其相对应的功能实现。

操作符的输入函数intIn(charc);

运算符比较优先级函数charProceed(charop,charc);

进行四则运算函数intOperate(inta,chara1,intb);

实现表达式的求值函数intEvalExpres(void);

初始化栈函数voidInitStack(Stack*s);

入栈函数voidPush(Stack*s,intx);

出栈函数intPop(Stack*s);

取栈顶元素函数intGetTop(Stack*s);

判栈空函数voidEmpty(Stack*s);

主函数intmain()

下面是源代码:

*********************头文件c1****************************

#ifndefc1_H

#definec1_H

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#defineTRUE1

#defineFALSE0

#defineOK1

#defineERROR0

#defineINFEASIBLE-1

typedefintStatus;

typedefintBoolean;

#endif

*********************头文件c2****************************

#include"c1.H"

#ifndefc2_H

#definec2_H

#defineSTACK_INIT_SIZE10

#defineSTACKINCREMENT2

#defineMAXSIZE16

typedefintSElemType;

typedefstruct

{

intdata[MAXSIZE];

inttop;

intbase;//栈底

}Stack;

voidInitStack(Stack*);//初始化栈

intEmpty(Stack*);//判空栈

voidPush(Stack*,int);//进栈

intPop(Stack*);//出栈

intGetTop(Stack*);//取栈顶元素

intOperate(int,char,int);//计算结果

charProceed(char,char);//比较优先级

intIn(char);//判断输入符

intEvalExpres(void);//表达式计算函数

 

#endif

*********************1.cpp**************************

#include"c2.H"

StackStackR,StackD;//定义两个栈存放运算符和操作数

voidInitStack(Stack*s)//初始化栈

{

s->top=0;

s->base=0;

}

intEmpty(Stack*s)//判断栈是否为空

{

if(s->top==s->base)

return1;//栈空时返回1,否则返回0

else

return0;

}

voidPush(Stack*s,intx)//进栈

{

if(s->top==MAXSIZE)

{

printf("\terror!

\n");

exit(0);

}

else

{

s->data[s->top]=x;

s->top++;

}

}

intPop(Stack*s)//出栈

{

inte;

if(Empty(s))

{

printf("\terror!

\n");

exit(0);

}

else

{

s->top--;

e=s->data[s->top];

returne;

}

}

intGetTop(Stack*s)//取栈顶元素

{

if(Empty(s))

{

printf("\terror!

\n");

exit(0);

}

else

returns->data[s->top-1];

}

intEvalExpres(void)//表达式求解函数

{

inta,b,i=0,s=0;

charc[80],r;

InitStack(&StackR);

Push(&StackR,'#');

InitStack(&StackD);

printf("\t请输入表达式并以'#'结束:

");

gets(c);

while(c[i]!

='#'||GetTop(&StackR)!

='#')

{

if(!

In(c[i]))//判断读入的字符不是运算符是则进栈

{

if(c[i]>='0'&&c[i]<='9')

{

s+=c[i]-'0';//字符相减将字符型转化为整型

while(!

In(c[++i]))//继续判断下一个字符,若不是运算符,表明为多位数,直到读取到字符为运算符为止

{

s*=10;

s+=c[i]-'0';

}

Push(&StackD,s+'0');//将整型转化为ascii的形式入栈,使字符在栈内以ascii的形式保存,实现多位数的计算

s=0;//初始化s,继续判断

}

else

{

printf("\t你输入的表达式有误!

\n");

exit(0);

}

}

else

switch(Proceed(GetTop(&StackR),c[i]))//此函数用来比较读取的运算符和栈顶运算符的优先级

{

case'<':

//栈顶的元素优先级低,当前运算符入栈

Push(&StackR,c[i]);

i++;

break;

case'=':

Pop(&StackR);

i++;

break;

case'>':

//栈顶的优先级高则出栈,并将计算结果压入栈内

r=Pop(&StackR);

a=Pop(&StackD)-'0';//操作数在栈内以ascii的形式存储,出站后要将ascii转化为整型,然后进行运算

b=Pop(&StackD)-'0';

Push(&StackD,Operate(a,r,b));

break;

}

}

return(GetTop(&StackD)-'0');//将栈顶元素转化为整型的形式输出

}

intIn(charc)//判断C是否为运算符是返回1否则返回0

{

charch[7]={'+','-','*','/','#','(',')'};

inti;

for(i=0;i<7;i++)

if(c==ch[i])

return1;

return0;

}

charProceed(charop,charc)//op为栈顶元素,c为当前读入的运算符,比较二者的优先级

{

charch;

if(op=='('&&c==')'||op=='#'&&c=='#')

ch='=';

elseif(op=='+'||op=='-')/*栈顶元素为'+'或'-'的时候*/

switch(c)

{

case'+':

case'-':

case')':

case'#':

ch='>';break;

case'*':

case'/':

case'(':

ch='<';

}

elseif(op=='*'||op=='/')/*栈顶元素为'*'或'/'的时候*/

switch(c)

{

case'+':

case'-':

case'*':

case'/':

case')':

case'#':

ch='>';break;

case'(':

ch='<';

}

elseif(op=='(')/*栈顶元素为'('的时候*/

switch(c)

{

case'+':

case'-':

case'*':

case'/':

case'(':

ch='<';break;

case'#':

printf("\tError!

没有右括号!

\n");

exit(0);

}

elseif(op==')')//栈顶元素为')'的时候

switch(c)

{

case'+':

case'-':

case'*':

case'/':

case'#':

ch='>';break;

case'(':

printf("\tError!

括号匹配错误!

\n");

exit(0);

}

elseif(op=='#')//栈顶元素为'#'的时候

switch(c)

{

case'+':

case'-':

case'*':

case'/':

case'(':

ch='<';break;

case')':

printf("\tError!

没有左括号!

\n");

exit(0);

}

returnch;

}

intOperate(inta,chara1,intb)

{

ints;

intd1=a;

intd2=b;//把字符ab变为对应数字

switch(a1)

{

case'+':

s=d1+d2;

break;

case'-':

s=d2-d1;

break;

case'*':

s=d1*d2;

break;

case'/':

if(d1!

=0)

{

s=d2/d1;}

else

{printf("\t除数不可以为0!

\n");

exit(0);}

}

return(s+'0');//将运算结果转化为ascii码的形式入栈,

}

*********************main.cpp****************************

#include"c2.H"

intmain()//主函数

{intv;

charch;

while

(1)

{

printf("\t************欢迎使用算术表达式的求解的小程序************\n");

v=EvalExpres();

printf("\t表达式的计算结果为:

%d",v);

printf("\n\tInput'n'toquitandENTERrunagain:

");

do

{

scanf("%c",&ch);

if(ch=='n'||ch=='N')

exit(0);

}while(ch!

='\n');

system("cls");

}

return0;

}

五.运行与测试

运行结果:

(1)实现基本的加减乘除运算,当想要继续输入表达式时点击enter键,若要结束,点击n或N键即可,而且可实现多位数的运算。

(2)实现复杂的算术表达式

(3)错误表达式的处理

上机调试过程遇到问题以及解决方案

问题1、调试时没有错误,但运行时显示错误。

解决方案:

通过它提示的错误和警告,在判断是否为运算符的子函数中出现错误,如果为运算符时返回1,其次返回0,在返回0时没有用else,这样使得整个子函数可以返回一个有效值。

问题2、调试时程序显示没有错误,可以运行,但在运行时结果却出现错误。

解决方案:

把程序从头看了一遍,发现在比较优先级的函数中,优先级的比较比较乱,而且部分出错,后来查了关于运算符优先级的资料,通过在纸上把各种优先级列出,解决这个错误。

算法的时间复杂度

由于在主函数用到嵌套循环,故算法的时间复杂度为O(n^2)。

算法分析

(1)、结构体类型的定义

typedefstruct

{

intdata[MAXSIZE];

inttop;

intbase;//栈底

}Stack;

(2)系统主要子程序的详细设计

1)、主函数模块设计

intmain()//主函数

{

intv;

charch;

while

(1)

{

printf("\t************欢迎使用算术表达式的求解的小程序************\n");

v=EvalExpres();

printf("\t表达式的计算结果为:

%d",v);

printf("\n\tInput'n'toquitandENTERrunagain:

");

do

{

scanf("%c",&ch);

if(ch=='n'||ch=='N')

exit(0);

}while(ch!

='\n');

system("cls");

}

return0;

}

在主函数中,设定用户操作界面的形式,通过调用表达式求解的子函数实现算法所要实现的功能,然后通过while()循环语句控制,可以实现多次调试。

2)、计算函数模块

intOperate(inta,chara1,intb)

{

ints;

intd1=a;

intd2=b;//把字符ab变为对应数字

switch(a1)

{

case'+':

s=d1+d2;

break;

case'-':

s=d2-d1;

break;

case'*':

s=d1*d2;

break;

case'/':

s=d2/d1;

}

return(s+'0');//将运算结果转化为ascii码的形式入栈,

}

在计算函数中,定义3个变量,表示基本运算中的变量。

采用开关语句实现表达式的基本运算,将运算结果转化为ASCII的形式返回。

3)、表达式求解的函数模块

intEvalExpres(void)//表达式求解函数

{

inta,b,i=0,s=0;

charc[80],r;

InitStack(&StackR);//初始化栈

Push(&StackR,'#');//将表达式起始符压入栈

InitStack(&StackD);

printf("\t请输入表达式并以‘#’结束:

");

gets(c);

while(c[i]!

='#'||GetTop(&StackR)!

='#')

{

if(!

In(c[i]))//判断读入的字符是不是运算符不是则进opnd栈

{if(c[i]>='0'&&c[i]<='9')

{

s+=c[i]-'0';//字符的ascii相减将字符型转化为整型

while(!

In(c[++i]))//继续判断下一个字符,若不是运算符,表明为多位数,直到读取到字符为运算符为止

{

s*=10;

s+=c[i]-'0';

}

Push(&StackD,s+'0');//将整型转化为ascii的形式入栈,使字符在栈内以ascii的形式保存,实现多位数的计算

s=0;//初始化s,继续判断

}

else

{

printf("你输入的表达式有误!

\n");

return0;

}

}

else

switch(Proceed(GetTop(&StackR),c[i]))//此函数用来比较读取的运算符和栈顶运算符的优先级

{

case'<':

//栈顶的元素优先级低,当前运算符入栈

Push(&StackR,c[i]);

i++;

break;

case'=':

Pop(&StackR);

i++;

break;

case'>':

//栈顶的优先级高则出栈,并将计算结果压入栈内

r=Pop(&StackR);

a=Pop(&StackD)-'0';//操作数在栈内以ascii的形式存储,出站后要将ascii转化为整型,然后进行运算

b=Pop(&StackD)-'0';

Push(&StackD,Operate(a,r,b));

break;

}

}

return(GetTop(&StackD)-'0');//将栈顶元素转化为整型的形式输出

}

对于表达式求解函数,在程序中主要思想是对读入的表达式进栈进行判断。

若读入的是‘0’到‘9’之间的字符,将这些字符采用ascii相减的形式转化为整型,再入opnd栈,若读入的字符为运算符,则将运算符入栈,并比较运算符之间的优先级,看是否运算,若栈顶的运算符小于当前输入的运算符,则不需运算,只要将当前运算符入栈即可。

否则,运算。

运算时先将optr栈的栈顶运算符和opnd栈的栈顶、次栈顶元素出栈,并将opnd栈中出栈的元素的ASCII形式转化为整型再计算,最后讲

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