Java 数学表达式解析入门指南
1. 工作流程
在进行 Java 数学表达式解析之前，我们首先需要理解整个过程。以下是解析数学表达式的基本步骤：
| 步骤 | 内容 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 定义语法规则 | 确定我们支持的表达式（如加减乘除等） |
| 2 | 词法分析 | 将输入字符串转化为一系列的符号（Token） |
| 3 | 语法分析 | 将符号组成语法树 |
| 4 | 计算表达式 | 根据语法树计算最终的结果 |
接下来，我们将详细讲解每一个步骤以及相应的代码。
2. 定义通信结构
我们将使用一个简单的类来表示我们支持的符号（Token）。以下是 Token 类的定义：
// 定义 Token 类
public class Token {
public enum Type {
NUMBER, OPERATOR, LPAREN, RPAREN
}
public Type type; // Token 类型
public String value; // Token 值
// 构造函数
public Token(Type type, String value) {
this.type = type;
this.value = value;
}
}
3. 词法分析
词法分析的目的是将输入的字符串转换为 Token 列表。以下是词法分析的代码实现：
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
// 词法分析器
public class Lexer {
private String input; // 输入字符串
private int position; // 当前位置
public Lexer(String input) {
this.input = input.replaceAll("\\s+", ""); // 去掉空格
this.position = 0;
}
public List<Token> tokenize() {
List<Token> tokens = new ArrayList<>();
while (position < input.length()) {
char currentChar = input.charAt(position);
// 如果是数字
if (Character.isDigit(currentChar)) {
StringBuilder number = new StringBuilder();
while (position < input.length() && Character.isDigit(input.charAt(position))) {
number.append(input.charAt(position++));
}
tokens.add(new Token(Token.Type.NUMBER, number.toString()));
}
// 如果是操作符
else if ("+-*/".indexOf(currentChar) != -1) {
tokens.add(new Token(Token.Type.OPERATOR, String.valueOf(currentChar)));
position++;
}
// 左括号
else if (currentChar == '(') {
tokens.add(new Token(Token.Type.LPAREN, String.valueOf(currentChar)));
position++;
}
// 右括号
else if (currentChar == ')') {
tokens.add(new Token(Token.Type.RPAREN, String.valueOf(currentChar)));
position++;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Invalid character: " + currentChar);
}
}
return tokens;
}
}
4. 语法分析
接下来，我们需要基于 Token 构建语法树。以下是一个简单的语法分析器实现：
import java.util.List;
// 语法分析器
public class Parser {
private List<Token> tokens;
private int currentTokenIndex = 0;
public Parser(List<Token> tokens) {
this.tokens = tokens;
}
// 表达式解析
public int parse() {
return expression();
}
private int expression() {
int result = term();
while (currentTokenIndex < tokens.size() &&
(tokens.get(currentTokenIndex).value.equals("+") || tokens.get(currentTokenIndex).value.equals("-"))) {
Token operator = tokens.get(currentTokenIndex++);
int nextTerm = term();
if (operator.value.equals("+")) {
result += nextTerm;
} else {
result -= nextTerm;
}
}
return result;
}
private int term() {
int result = factor();
while (currentTokenIndex < tokens.size() &&
(tokens.get(currentTokenIndex).value.equals("*") || tokens.get(currentTokenIndex).value.equals("/"))) {
Token operator = tokens.get(currentTokenIndex++);
int nextFactor = factor();
if (operator.value.equals("*")) {
result *= nextFactor;
} else {
result /= nextFactor;
}
}
return result;
}
private int factor() {
Token token = tokens.get(currentTokenIndex++);
if (token.type == Token.Type.NUMBER) {
return Integer.parseInt(token.value);
} else if (token.type == Token.Type.LPAREN) {
int result = expression();
currentTokenIndex++; // Skip RPAREN
return result;
}
throw new IllegalArgumentException("Unexpected token: " + token.value);
}
}
5. 计算表达式
在解析完成后，我们可以通过以下代码进行表达式计算：
public class Calculator {
public static void main(String[] args) {
String expression = "3 + 5 * (2 - 8)";
Lexer lexer = new Lexer(expression);
List<Token> tokens = lexer.tokenize();
Parser parser = new Parser(tokens);
int result = parser.parse();
System.out.println("Result: " + result); // 输出计算结果
}
}
综上所述
以上代码展示了如何利用 Java 实现一个简单的数学表达式解析器。通过逐步解析输入，利用词法分析、语法分析以及实际的计算，我们可以轻松地处理各种数学表达式。
甘特图
以下是整个项目时间安排的甘特图：
gantt
title 数学表达式解析项目
dateFormat YYYY-MM-DD
section 词法分析
定义词法分析器 :a1, 2023-10-01, 5d
实现 tokenize 方法 :after a1 , 5d
section 语法分析
定义语法分析器 :after a1 , 5d
实现 parse 方法 :after a2 , 5d
section 整合与测试
整合 Lexer 和 Parser :after a2, 5d
实现主执行程序 :after a3, 3d
序列图
以下是整个过程的序列图：
sequenceDiagram
participant U as 用户
participant C as Calculator
participant L as Lexer
participant P as Parser
U->>C: 输入数学表达式
C->>L: 创建 Lexer
L-->>C: 返回 Token 列表
C->>P: 创建 Parser
P-->>C: 返回计算结果
C->>U: 输出结果
通过这篇文章，相信你已经对如何解析 Java 数学表达式有了一个全方位的理解。希望能在今后的编程实践中，帮助你加深对语言特性及设计模式的理解！
