Сначала порекомендую все таки использовать готовые библиотеки, а не придумывать велосипед. Вот тут приведено много вариантов, как в Java
можно решить математические выражения. (даже есть решение через использование механизма JavaScript
и вызов функции eval
. В js
именно так и решают примеры)
Но, а если в учебных целях, то по моему мнению самый простой и понятный алгоритм решения простых математических выражений это RPN, или "Обратная польская нотация". Подробней можете почитать на Wikipedia.
Далее я приведу код с комментариями. За основу взял код со статьи на Habr. Но добавил например возможность использовать числа с плавающей запятой.
import java.util.*;
public class Main
{
// Парсинг числа в expr начиная с позици pos
public static String GetStringNumber(String expr, int pos) {
String strNumber = "";
// Была ли добавлена точка
boolean hasDot = false;
for (; pos < expr.length(); pos++) {
char num = expr.charAt(pos);
if (num == '.') {
// Если точка уже была добавлена и мы нашли еще одну
// просто заканчиваем парсинг
if (hasDot) break;
hasDot = true;
}
else if (!Character.isDigit(num))
break;
strNumber += num;
}
return strNumber;
}
// Ключ - оператор, значение - приоритет
public static Map<Character, Integer> operationPriority = Map.ofEntries(
Map.entry('(', 0),
Map.entry('+', 1),
Map.entry('-', 1),
Map.entry('*', 2),
Map.entry('/', 2),
Map.entry('~', 4)
);
// Функция, которая возвращает результат операции op
// над двумя числами first и second
private static double ExecuteOperator(char op, double first, double second) {
switch(op) {
case ('+'): return first + second;
case ('-'): return first - second;
case ('*'): return first * second;
case ('/'): return first / second;
default: return 0;
}
}
// Функция конвертации выражения в массив токенов RPN
public static List<String> ConvertToRPN(String expression) {
// Стек для операторов
Stack<Character> operatorStack = new Stack<>();
// Результирующий массив токенов
List<String> tokens = new ArrayList<>();
// Последнее что рассматривалось был оператор?
boolean lastIsOperator = true;
for (int i = 0; i < expression.length(); i++) {
char c = expression.charAt(i);
// Если рассматриваемый символ цифра или точка (начало double)
// То добавляем это число в tokens, и пропускаем number.length() итераций
if (Character.isDigit(c) || c == '.') {
String number = GetStringNumber(expression, i);
tokens.add(number);
i += number.length() - 1;
lastIsOperator = false;
}
// Если символ это открывающая скобка, то закидываем её в стек операторов
else if (c == '(') {
operatorStack.push(c);
lastIsOperator = false;
}
// Если же закрывающая, то пока мы не дойдем до открывающей скобки
// складываем все операторы в tokens. Удаляя так же из стека и '('
else if (c == ')') {
while (!operatorStack.isEmpty() && operatorStack.peek() != '(') {
tokens.add("" + operatorStack.pop());
}
operatorStack.pop();
lastIsOperator = false;
}
// Если рассматриваемый символ это оператор
else if (operationPriority.containsKey(c)) {
char op = c;
// Если мы нашли - и до этого был рассмотрен оператор
// то это унарный минус. Заменим на символ для унарного минуса
if (op == '-' && lastIsOperator)
op = '~';
// Убираем из стека операторов все операторы у которых приоритет > приоритета op
// и добавляем в tokens. Так например если мы найдем -, то сначала добавим с конца
// все * и /. Т.к. у них приоритет выше
int opPriority = operationPriority.get(op);
while (!operatorStack.isEmpty() && (operationPriority.get(operatorStack.peek()) >= opPriority)) {
tokens.add("" + operatorStack.pop());
}
// Добавляем в стек сам оператор
operatorStack.push(op);
lastIsOperator = true;
}
}
// Когда мы прошлись по всей входной строке
// переносим все из operatorStack в tokens
while (!operatorStack.isEmpty()) {
tokens.add("" + operatorStack.pop());
}
return tokens;
}
// Функция возвращающая результат выражения
// Принимает массив токенов RPN
private static double Calculate(List<String> tokens) {
// Стек чисел
Stack<Double> numbers = new Stack<>();
for (int i = 0; i < tokens.size(); i++) {
String token = tokens.get(i);
// Если первый символ токена это число или ., то весь токен это число
// по этому добавляем его в стек numbers.
if (Character.isDigit(token.charAt(0)) || token.charAt(0) == '.')
numbers.push(Double.parseDouble(token));
// Если token это оператор
else if (operationPriority.containsKey(token.charAt(0))) {
// Если токен это оператор унарный минус
if (token.equals("~")) {
// Достаем последнее добавленное в стек число
Double last = numbers.pop();
// И в стек вставляем результат вычитания из 0 числа last
// т.к. -1 = 0 - 1, -x = 0 - x
numbers.push(ExecuteOperator('-', 0, last));
continue;
}
// Достаем числа, где последнее добавленное это второе
// а предпоследнее это первое
double second = numbers.pop();
double first = numbers.pop();
// Добавляем результат операции
numbers.push(ExecuteOperator(token.charAt(0), first, second));
}
}
// Последнее оставшееся в стеке число и будет результатом
return numbers.pop();
}
public static void main(String[] args) {
String expression = "-(1 + ((2 - -3) * 4) / 5) + 10";
System.out.println("Expression: " + expression);
List<String> tokens = ConvertToRPN(expression);
System.out.println("Tokens: " + tokens.toString());
double result = Calculate(tokens);
System.out.println("Result: " + result);
}
}
Тест №1 - длинное выражение взятое из статьи, о которой я написал выше.
Expression: 15/(7-(1+1))*3-(2+(1+1))*15/(7-(200+1))*3-(2+(1+1))*(15/(7-(1+1))*3-(2+(1+1))+15/(7-(1+1))*3-(2+(1+1)))
Tokens: [15, 7, 1, 1, +, -, /, 3, *, 2, 1, 1, +, +, 15, *, 7, 200, 1, +, -, /, 3, *, -, 2, 1, 1, +, +, 15, 7, 1, 1, +, -, /, 3, *, 2, 1, 1, +, +, -, 15, 7, 1, 1, +, -, /, 3, *, +, 2, 1, 1, +, +, -, *, -]
Result: -30.072164948453608
Тест №2 - простое, маленькое выражение использующее в себе все операторы.
Expression: -(1 + ((2 - -3) * 4) / 5) + 10
Tokens: [1, 2, 3, ~, -, 4, *, 5, /, +, ~, 10, +]
Result: 5.0
^
возведение в степень и т.д. Этот алгоритм называет RPN, вот ссылка на википедию где можно почитать о нем: ссылка