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简易计算器实现(支持表达式解析)_栈集合在运算符优先级中的应用

P粉602998670

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发布时间:2026-02-24 18:30:46

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来源于php中文网

原创

栈处理表达式优先级更可控,因其天然支持延迟计算:用双栈暂存操作数和运算符,按优先级弹算,避免递归过深与状态分散。

简易计算器实现(支持表达式解析)_栈集合在运算符优先级中的应用

为什么用处理表达式优先级比递归下降更可控

因为运算符优先级本质是「延迟计算」:遇到低优先级运算符(如 +)时,得先算完它右边所有高优先级部分(比如 2 * 3 + 4 中的 2 * 3)。栈天然适合暂存待运算的操作数和未决运算符,避免状态分散或递归调用栈过深。

常见错误现象:1 + 2 * 3 算成 9 而不是 72 * 3 + 4 * 5 中第二个 * 没触发立即计算。

  • 只用一个操作数栈 + 一个运算符栈,别拆成多个逻辑栈
  • 读到数字就压入操作数栈;读到运算符时,先比较它和运算符栈顶的优先级
  • 若当前运算符优先级 ≤ 栈顶(如 + 遇到 *),必须先弹出栈顶运算符执行一次计算,再把当前运算符压栈
  • 左括号 ( 直接压栈,右括号 ) 则持续弹出并计算直到遇到左括号

如何安全解析带负号和空格的表达式

负号不是二元运算符,是前缀操作——但语法上容易和减号混淆(比如 3 + -2-(2 + 3))。空格则会让字符串分割失效,不能简单用 split()

使用场景:用户输入可能含空格、连续负号(--5)、括号嵌套(2 * (-3 + 4)

  • 逐字符扫描,不依赖 split();用状态机区分「等待操作数」和「等待运算符」两种模式
  • 当处于「等待操作数」状态且遇到 -,视为负号,后面紧接数字或 ( 才合法
  • 跳过所有 ' ',但不要跳过 '\t''\n' 以外的空白——除非你明确支持它们
  • 数字解析要支持小数点(如 3.14),但注意 . 单独出现是非法的

Python 实现中 operator.precedence 不存在怎么办

Python 标准库没有内置运算符优先级表,ast 模块能解析但不暴露优先级数值,硬编码又难维护。最简方案是手写映射字典,控制粒度刚好够用。

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性能影响:查表是 O(1),比每次字符串比较快;兼容性无问题,所有 Python 3.x 都可用

  • 定义 PRECEDENCE = {'+': 1, '-': 1, '*': 2, '/': 2, '%': 2},左括号不参与比较
  • 遇到新运算符(比如 ^ 表示幂)时,别直接加进字典——先确认是否右结合(幂运算是右结合,2^3^2 == 2^(3^2)),需单独处理
  • 除零错误在执行 / 时检查,别等到最后统一验——否则 1 / 0 + 2 会因栈未清空而漏报
def apply_op(ops, nums):
    if len(nums) < 2: raise ValueError("insufficient operands")
    b, a = nums.pop(), nums.pop()
    op = ops.pop()
    if op == '+': nums.append(a + b)
    elif op == '-': nums.append(a - b)
    elif op == '*': nums.append(a * b)
    elif op == '/':
        if b == 0: raise ZeroDivisionError("division by zero")
        nums.append(int(a / b))  # 注意:Python 3 的 / 返回 float,这里按整除语义处理

为什么计算器不该直接 eval(input())

因为 eval() 会执行任意代码,用户输个 __import__('os').system('rm -rf /') 就完了。即使加白名单过滤,正则也极难覆盖所有绕过方式(比如编码、换行、注释干扰)。

容易踩的坑:用 eval() + str.isdigit() 检查输入——但 -1 不是 digit,1e5 是合法数字却通不过,而且根本没拦住函数调用

  • 真正安全的边界是「只接受数字、四则运算符、括号、小数点、负号」,其余一律拒绝
  • 如果真要支持 math 函数(如 sin(3.14)),必须用 ast.parse() + 白名单节点校验,而不是字符串替换
  • 哪怕只是本地脚本,也别养成 eval 习惯——它掩盖了表达式解析的真实复杂度,下次改需求(比如加变量、历史记录)就卡住

解析表达式的难点不在栈本身,而在边界条件:负号位置、括号匹配失败、小数点孤立、除零时机、空输入——这些地方不写测试几乎必出错。

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