前缀、中缀、后缀表达式->(逆波兰表达式)
1.前缀表达式(波兰表达式)
- 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
- 举例说明:(3+4)×5-6对应的前缀表达式就是-×+3456
前缀表达式的计算机求值
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**-×+3456,针对前缀表达式求值步骤如下:
- 从右至左扫描,将6、5、4、3压入堆栈
- 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
- 接下来是×运算符,因此弹出7和5,计算出7×5=35,将35入栈
- 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果
2.中缀表达式
- 中缀表达式就是常见的运算表达式,如(3+4)×5-6
- 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,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)
3.后缀表达式
- 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
- 中举例说明:(3+4)×5-6对应的后缀表达式就是34+5×6-
- 再比如
正常的表达式 | 逆波兰表达式 |
a+b | a b + |
a+(b-c) | a b c - + |
a+(b-c)*d | a b c - d * + |
a+d*(b-c) | a d b c - * + |
a=1+3 | a 1 3 + = |
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34+5×6-,针对后缀表达式求值步骤如下:
- 从左至右扫描,将3和4压入堆栈:
- 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:
- 将5入栈:
- 接下来是×运算符,因此弹出5和7,计算出7×5=35,将35入栈:
- 将6入栈:
- 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果
逆波兰计算器
输入一个逆波兰表达式,使用栈(Stack),计算其结果
支持小括号和多位数整数,因为这里我们主要讲的是数据结构,因此计算器进行简化,只支持对整数的计算。
思路分析
代码完成
public class PolandNotation { public static void main(String[] args) { //先定义一个逆波兰表达式 //(3+4)*5-6 => 3 4 +5 * 6 - //说明为了方便,逆波兰表达式的数字和符号使用空格隔开 String suffixExpression = "3 4 + 5 * 6 -"; //思路 //1.先将"3 4 +5 * 6 -" => 放到ArrayList中 //2.将ArrayList 传递给一个方法,遍历ArrayList配合栈完成计算 List<String> list = getListString(suffixExpression); int res = calculate(list); System.out.println("计算结果是="+res); } //将一个逆波兰表达式,依次将数据和运算符放入到ArrayList中 public static List<String> getListString(String suffixExpression) { //将suffixExpression分割 String[] split = suffixExpression.split(" "); List<String> list = new ArrayList<String>(); for (String ele : split) { list.add(ele); } return list; } //完成对逆波兰表达式的运算 /** * 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 */ public static int calculate(List<String> ls) { //创建给栈,只需要一个栈即可 Stack<String> stack = new Stack<>(); //遍历 ls for (String item : ls) { //这里使用正则表达式来取出数 if (item.matches("\d+")) {//匹配多位数 //入栈 stack.push(item); } else { //pop出两个数,并运算,在入栈 int num2 = Integer.parseInt(stack.pop()); int num1 = Integer.parseInt(stack.pop()); int res = 0; if (item.equals("+")) { res = num1 + num2; } else if (item.equals("-")) { res = num1 - num2; } else if (item.equals("*")) { res = num1 * num2; } else if (item.equals("/")) { res = num1 / num2; }else { throw new RuntimeException("运算符有问题"); } //把res 入栈 stack.push(""+res); } } ///最后留在stack的数据是运算结构 return Integer.parseInt(stack.pop()); } } 复制代码
4.中缀转后缀表达式
大家看到,后缀表达式适合计算式进行运算,但是人却不太容易写出来,尤其是表达式很长的情况下,因此在开发中,我们需要将中缀表达式转成后缀表达式。
操作步骤
- 初始化两个栈:运算符栈s1和储存中间结果的栈s2;
- 从左至右扫描中缀表达式:
- 遇到操作数时,将其压s2:
- 遇到运算符时,比较其与s1栈顶运算符的优先级:
- 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;
- 遇到括号时:
- 如果是左括号"()",则直接压入s1
- 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
- 将s1中剩余的运算符依次弹出并压入s2
- 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
举例说明
将中缀表达式“1+((2+3)×4)-5”转换为后缀表达式的过程如下
扫描到得元素 | s2(栈底->栈顶) | s1(栈底->栈顶) | 说明 |
1 | 1 | 空 | 数字,直接入栈 |
+ | 1 | + | s1为空,运算符直接入栈 |
( | 1 | + ( | 左括号,直接入栈 |
( | 1 | + ( ( | 同上 |
2 | 1 2 | + ( ( | 数字 |
+ | 1 2 | + ( ( + | s1栈顶为左括号,运算符直接入栈 |
3 | 1 2 3 | + ( ( + | 数字 |
) | 1 2 3 + | + ( | 右括号,弹出运算符直至遇到左括号 |
* | 1 2 3 + | + ( * | 右括号,弹出运算符直至遇到左括号 |
4 | 1 2 3 + 4 | + ( * | 数字 |
) | 1 2 3 + 4 * | + | 右括号,弹出运算符直至遇到左括号 |
- | 1 2 3 + 4 * + | - | -与+优先级相同,因此弹出+,再压入- |
5 | 1 2 3 + 4 * + 5 | - | 数字 |
到达最右端 | 1 2 3 + 4 * + 5 - | 空 | s1中剩余的运算符 |
因此结果为:
" 1 2 3 + 4 * + 5 -"
代码实现
public class PolandNotation { public static void main(String[] args) { //完成将一个中缀表达式转成后缀表达式的功能 //说明 //1. 1+((2+3)×4)-5 => " 1 2 3 + 4 * + 5 -" //2.因为直接对 str 进行操作 不方便 因此先将1+((2+3)×4)-5 => 中缀表达式对应得List // 即"1+((2+3)×4)-5" = >ArrayList [1,+,(,(,2,+,3,),×,4,),-,5] //3.将得到的中缀表达式对应的List => 后缀表达式对应的List // 即ArrayList [1, +, (, (, 2, +, 3, ), ×, 4, ), -, 5] => [1, 2, 3, + 4, *, +, 5, -] String expression = "1+((2+3)*4)-5"; List<String> infixExpression = toInfixExpressionList(expression); System.out.println("中缀表达式对应的List="+infixExpression); List<String> suffixExpression = parseSuffixExpressionList(infixExpression); System.out.println("后缀表达式对应的List="+suffixExpression); //先定义一个逆波兰表达式 //(3+4)*5-6 => 3 4 +5 * 6 - //说明为了方便,逆波兰表达式的数字和符号使用空格隔开 //String suffixExpression = "3 4 + 5 * 6 -"; //思路 //1.先将"3 4 +5 * 6 -" => 放到ArrayList中 //2.将ArrayList 传递给一个方法,遍历ArrayList配合栈完成计算 //List<String> list = getListString(suffixExpression); int res = calculate(suffixExpression); System.out.println("计算结果是=" + res); } // 即ArrayList [1, +, (, (, 2, +, 3, ), ×, 4, ), -, 5] => [1, 2, 3, + 4, *, +, 5, -] //方法: 中缀表达式转成后缀表达式的 public static List<String> parseSuffixExpressionList(List<String> ls) { //定义两个栈 Stack<String> s1 = new Stack<>();//符号栈 //说明:因为s2这个栈,在整个转换过程中,没有pop操作,而且后面我们还需要逆序输出 //因此比较麻烦,这里我们就不用Stack<String>直接使用List<String>s2 //Stack<String> s2 = new Stack<>();//存储中间结果得栈s2 List<String> s2 = new ArrayList<>();//存储中间结果得栈s2 //遍历ls for (String item : ls) { //如果是一个数,加入到s2 if (item.matches("\d+")) { s2.add(item); } else if (item.equals("(")) { s1.push(item); } else if (item.equals(")")) { //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 while (!s1.peek().equals("(")) { s2.add(s1.pop()); } s1.pop();//将 ( 弹出s1栈,消除小括号 } else { //当item的优先级小于等于s1栈顶运算符,将s1栈顶的运算符弹出并加入到s2中,再次转到(4.1)与s1中新的栈顶运算符相比较 //问题:缺少一个比较优先级高低的办法 while (s1.size() != 0 && Operation.getValue(s1.peek())>=Operation.getValue(item)){ s2.add(s1.pop()); } //还需要将item压入栈 s1.push(item); } } //将s1中剩余的运算符依次弹出并加入s2 while(s1.size() != 0){ s2.add(s1.pop()); } return s2; //注意因为是存放到List,因此按顺序输出就是对应的后缀表达式对应的Lst } //方法:将中缀表达式转成对应得List public static List<String> toInfixExpressionList(String s) { //定义一个List,存放中缀表达式 对应得内容 List<String> ls = new ArrayList<String>(); int i = 0;//这个是一个指针,用于遍历 中缀表达式字符串 String str; //对多位数得拼接 char c;//没遍历到一个字符,就放入到c do { //如果c是一个非数字,我们就需要加入到ls if ((c = s.charAt(i)) < 48 || (c = s.charAt(i)) > 57) { ls.add("" + c); i++;//i需要后移 } else { //如果是一个树,需要考虑多位数 str = "";//先将str 置成"" while (i < s.length() && (c = s.charAt(i)) >= 48 && (c = s.charAt(i)) <= 57) { str += c;//拼接 i++; } ls.add(str); } } while (i < s.length()); return ls; } //将一个逆波兰表达式,依次将数据和运算符放入到ArrayList中 public static List<String> getListString(String suffixExpression) { //将suffixExpression分割 String[] split = suffixExpression.split(" "); List<String> list = new ArrayList<String>(); for (String ele : split) { list.add(ele); } return list; } //完成对逆波兰表达式的运算 /** * 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 */ public static int calculate(List<String> ls) { //创建给栈,只需要一个栈即可 Stack<String> stack = new Stack<>(); //遍历 ls for (String item : ls) { //这里使用正则表达式来取出数 if (item.matches("\d+")) {//匹配多位数 //入栈 stack.push(item); } else { //pop出两个数,并运算,在入栈 int num2 = Integer.parseInt(stack.pop()); int num1 = Integer.parseInt(stack.pop()); int res = 0; if (item.equals("+")) { res = num1 + num2; } else if (item.equals("-")) { res = num1 - num2; } else if (item.equals("*")) { res = num1 * num2; } else if (item.equals("/")) { res = num1 / num2; } else { throw new RuntimeException("运算符有问题"); } //把res 入栈 stack.push("" + res); } } ///最后留在stack的数据是运算结构 return Integer.parseInt(stack.pop()); } } //编写一个类Operation 可以返回一个运算符 对应的优先级 class Operation { private static int ADD = 1; private static int SUB = 1; private static int MUL = 2; private static int DIV = 2; //写一个方法,返回对应的优先级数字 public static int getValue(String operation){ int result = 0; switch (operation){ case "+": result = ADD; break; case "-": result = SUB; break; case "*": result = MUL; break; case "/": result = DIV; break; default: System.out.println("不存在该运算符"); break; } return result; } } 复制代码
递归
需求引入
1.递归的概念
简单的说:递归就是方法自己调用自己,每次调用时传入不同的变量递归有助于编程者解决复杂的问题,同时可以让代码变得简洁。
2.递归调用机制
- 打印问题
public static void test ( int n){ if (n > 2) { test(n - 1); } System.out.println("n=" + n); } 复制代码
- 阶乘问题
public static int factorial(int n) { if (n == 1) { return 1; } else { return factorial(n - 1) * n; /* n=3 factorial(3-1)*3 =>factorial(2-1)*2*3 =>factorial(1)*2*3 */ } } 复制代码
3.递归能解决什么样的问题
- 各种数学问题如:8皇后问题,汉诺塔,阶乘问题,迷宫问题,球和篮子的问题(google编程大赛)
- 各种算法中也会使用到递归,比如快排,归并排序,二分查找,分治算法等
- 将用栈解决的问题->第归代码比较简洁
4.递归需要遵守的重要规则
- 执行一个方法时,就创建一个新的受保护的独立空间(栈空间)
- 方法的局部变量是独立的,不会相互影响,比如n变量
- 如果方法中使用的是引用类型变量(比如数组),就会共享该引用类型的数据
- 归必须向退出递归的条件逼近,否则就是无限递归,出现StackOverflowError,死归了:)
- 当一个方法执行完毕,或者遇到return.,就会返回,遵守谁调用,就将结果返回给谁,同时当方法执行完毕或者返回时,该方法也就执行完毕。
迷宫回溯问题
- 小球得到的路径,和程序员设置的找路策略有关即:找路的上下左右的顺序相关
- 再得到小球路径时,可以先使用(下右上左),再改成(上右下左),看看路径是不是有变化
- 测试回溯现象
- 思考:如何求出最短路径?
代码实现
public class Maze { public static void main(String[] args) { //先创建一个二维数组,模拟迷宫 //地图 int[][] map = new int[8][7]; //使用1表示墙 //上下全部置为1 for (int i = 0; i < 7; i++) { map[0][i] = 1; map[7][i] = 1; } //左右全部为1 for (int i = 0; i < 8; i++) { map[i][0] = 1; map[i][6] = 1; } //设置挡板 map[3][1] = 1; map[3][2] = 1; //输出地图 System.out.println("地图的情况"); for (int i = 0; i < map.length; i++) { for (int j = 0; j < map[i].length; j++) { System.out.print(map[i][j] + " "); } System.out.println(); } //使用递归回溯给小球找路 setWay1(map,1,1); //输出新的地图,小球走过,并标识过的地图 System.out.println("小球走过,并标识过的地图"); for (int i = 0; i < map.length; i++) { for (int j = 0; j < map[i].length; j++) { System.out.print(map[i][j] + " "); } System.out.println(); } } //使用递归回溯来给小球找路 /* 1.map表示地图 2.i,j表示从地图的哪个位置开始出发(1,1) 3.如果小球能到map[6][5]位置,则说明通路找到, 4.约定:当map[i][j]为0表示该点没有走过当为1表示墙;2表示通路可以走;3表示该点已经走过,但是走不通 5.在走迷宫时,需要确定一个策略(方法) 下->右->上->左 ,如果该点走不通在回溯 */ /** * @param map 地图 * @param i 从哪个位置开始找 * @param j * @return 如果找到通路,就返回true,否则返回false */ public static boolean setWay1(int[][] map, int i, int j) { if (map[6][5] == 2) { //同路已经找到 return true; } else { if (map[i][j] ==0){ //如果当前的点还没有走过 //按照策略下->右->上->左 map[i][j]=2;//假定该点是可以走通 if (setWay(map,i+1,j)){ //向下走 return true; }else if (setWay1(map,i,j+1)) { //向右走 return true; }else if (setWay1(map,i-1,j)) { //向上走 return true; }else if(setWay1(map,i,j-1)){ //向左走 return true; }else{ //说明改点走不通,是死路 map[i][j]=3; return false; } }else{ //如果map[i][j] != 0,可能是1,2,3 return false; } } } } 复制代码
关于回溯
如果我在设置起点为1,1,而map[3][1] = 1; map[3][2] = 1; map[4][1] = 1;map[4][2] = 1;,这样只有上下两个格子可以移动,这时运行完就会把走过的路径设置为3
最短路径
//修改找路的策略 改成上->右->下->左 public static boolean setWay2(int[][] map, int i, int j) { if (map[6][5] == 2) { //同路已经找到 return true; } else { if (map[i][j] == 0) { //如果当前的点还没有走过 //按照策略下->右->上->左 map[i][j] = 2;//假定该点是可以走通 if (setWay2(map, i - 1, j)) { //向上走 return true; } else if (setWay2(map, i, j + 1)) { //向右走 return true; } else if (setWay2(map, i + 1, j)) { //向下走 return true; } else if (setWay2(map, i, j - 1)) { //向左走 return true; } else { //说明改点走不通,是死路 map[i][j] = 3; return false; } } else { //如果map[i][j] != 0,可能是1,2,3 return false; } } } 复制代码
最简单的方法就是对上下左右的找路策略进行穷举,然后比较哪个最短即可
八皇后问题
需求引入
八皇后问题,是一个古老而著名的问题,是回溯算法的典型案例。该问题是国际西洋棋棋手马克斯-贝瑟尔于1848年提出:在8×8格的国际象棋上摆放八个皇后,使其不能互相攻击,即:任意两个皇后都不能处于同一行、同一列或同一斜线上,问有多少 种摆法。
思路分析
- 第一个皇后先放第一行第一列
- 第二个皇后放在第二行第一列、然后判断是否OK,如果不0K,继续放在第二列、第三列、依次把所有列都放完,找到一个合适
- 继续第三个皇后,还是第一列、第二列直到第8个皇后也能放在一个不冲突的位置,算是找到了一个正确解
- 当得到一个正确解时,在栈回退到上一个栈时,就会开始回溯,即将第一个皇后,放到第一列的所有正确解,全部得到
- 然后回头继续第一个皇后放第二列,后面继续循环执行1,2,3的步骤
说明
理论上应该创建一个二维数组来表示棋盘,但是实际上可以通过算法,用一个一维数组即可解决问题.arr[8]={0,4,7,5,2,6,1,3} //对应arr下标 表示第几行,即第几个皇后,arr[i]=val,val表示第i+1个皇后,放在第i+1行的第val+1列
代码实现
public class Queue8 { //定义一个max表示共有多少个皇后 int max =8; //定义数组array,保存皇后防止位置的结果,比如 arr[8]={0,4,7,5,2,6,1,3} int [] array = new int [max]; static int count = 0; public static void main(String[] args) { Queue8 queue8 = new Queue8(); queue8.check(0); System.out.printf("一共有%d解法",count); } //编写一个方法,放置第n个皇后 //特别注意:check是每一次递归时,进入到check中都有for(int i=0;i<max;i++) private void check(int n){ if (n==max){ //n=8,其实8个皇后就已然放好 print(); return; } //依次放入皇后,并判断是否重复 for (int i = 0; i < max; i++) { //先把当前这个皇后 n 放到该行的第1列 array[n] = i; //判断当防止第n个皇后i列时,是否冲突 if (judge(n)){ //不冲突 //接着放n+1个皇后,即开始递归 check(n+1); } //如果冲突,就继续执行array[n] = i即将第n个皇后放置在本行的后移的一个位置 } } //查看当我们放置第个皇后,就去检测该皇后是否和前面已经摆放的皇后冲突 /** * * @param n 表示第n个皇后 * @return */ private boolean judge(int n){ for (int i = 0; i < n; i++) { //说明 //1.array[i]==array[n]表示判断第n个皇后是否和前面的n-1个皇后在同一列 //2.Math.abs(n-1)==Math.abs(array[n]-array[i])表示判断第个皇后是否和第i皇后是否在同一斜线 if (array[i]==array[n]||Math.abs(i-n)==Math.abs(array[i]-array[n])){ return false; } } return true; } //写一个方法,可以将皇后摆放的位置输出 private void print(){ count++; for (int i = 0; i < array.length;i++) { System.out.print(array[i]+" "); } System.out.println(); } }