【宫水三叶の真题精选】使用「双栈」解决「究极表达式计算」问题（含拓展）

【本题】双栈解法

对于「任何表达式」而言，我们都使用两个栈 nums 和 ops：

• nums ： 存放所有的数字
• ops ：存放所有的数字以外的操作

然后从前往后做，对遍历到的字符做分情况讨论：

• 空格 : 跳过
• ( : 直接加入 ops 中，等待与之匹配的 )
• ) : 使用现有的 nums 和 ops 进行计算，直到遇到左边最近的一个左括号为止，计算结果放到 nums
• 数字 : 从当前位置开始继续往后取，将整一个连续数字整体取出，加入 nums
• + - * : 需要将操作放入 ops 中。在放入之前先把栈内可以算的都算掉（只有「栈内运算符」比「当前运算符」优先级高/同等，才进行运算），使用现有的 nums 和 ops 进行计算，直到没有操作或者遇到左括号，计算结果放到 nums

我们可以通过 🌰 来理解 只有「栈内运算符」比「当前运算符」优先级高/同等，才进行运算 是什么意思：

因为我们是从前往后做的，假设我们当前已经扫描到 2 + 1 了（此时栈内的操作为 + ）。

1. 如果后面出现的 + 2 或者 - 1 的话，满足「栈内运算符」比「当前运算符」优先级高/同等，可以将 2 + 1 算掉，把结果放到 nums 中；
2. 如果后面出现的是 * 2 的话，不满足「栈内运算符」比「当前运算符」优先级高/同等，这时候不能计算 2 + 1。

一些细节：

• 由于第一个数可能是负数，为了减少边界判断。一个小技巧是先往 nums 添加一个 0
• 为防止 () 内出现的首个字符为运算符，将所有的空格去掉，并将 (- 替换为 (0-，(+ 替换为 (0+（当然也可以不进行这样的预处理，将这个处理逻辑放到循环里去做）
• 从理论上分析，nums 最好存放的是 long，而不是 int。因为可能存在 大数 + 大数 + 大数 + … - 大数 - 大数 的表达式导致中间结果溢出，最终答案不溢出的情况

代码：

import java.util.*;

public class Solution {
    // 使用 map 维护一个运算符优先级（其中加减法优先级相同，乘法有着更高的优先级）
    Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>(){{
        put('-', 1);
        put('+', 1);
        put('*', 2);
    }};

    public int solve(String s) {
        // 将所有的空格去掉
        s = s.replaceAll(" ", "");

        char[] cs = s.toCharArray();
        int n = s.length();

        // 存放所有的数字
        Deque<Integer> nums = new ArrayDeque<>();
        // 为了防止第一个数为负数，先往 nums 加个 0
        nums.addLast(0);
        // 存放所有「非数字以外」的操作
        Deque<Character> ops = new ArrayDeque<>();

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            char c = cs[i];
            if (c == '(') {
                ops.addLast(c);
            } else if (c == ')') {
                // 计算到最近一个左括号为止
                while (!ops.isEmpty()) {
                    if (ops.peekLast() != '(') {
                        calc(nums, ops);
                    } else {
                        ops.pollLast();
                        break;
                    }
                }
            } else {
                if (isNumber(c)) {
                    int u = 0;
                    int j = i;
                    // 将从 i 位置开始后面的连续数字整体取出，加入 nums
                    while (j < n && isNumber(cs[j])) u = u * 10 + (cs[j++] - '0');
                    nums.addLast(u);
                    i = j - 1;
                } else {
                    if (i > 0 && (cs[i - 1] == '(' || cs[i - 1] == '+' || cs[i - 1] == '-')) {
                        nums.addLast(0);
                    }
                    // 有一个新操作要入栈时，先把栈内可以算的都算了 
                    // 只有满足「栈内运算符」比「当前运算符」优先级高/同等，才进行运算
                    while (!ops.isEmpty() && ops.peekLast() != '(') {
                        char prev = ops.peekLast();
                        if (map.get(prev) >= map.get(c)) {
                            calc(nums, ops);
                        } else {
                            break;
                        }
                    }
                    ops.addLast(c);
                }
            }
        }
        // 将剩余的计算完
        while (!ops.isEmpty() && ops.peekLast() != '(') calc(nums, ops);
        return nums.peekLast();
    }
    // 计算逻辑：从 nums 中取出两个操作数，从 ops 中取出运算符，然后根据运算符进行计算即可
    void calc(Deque<Integer> nums, Deque<Character> ops) {
        if (nums.isEmpty() || nums.size() < 2) return;
        if (ops.isEmpty()) return;
        int b = nums.pollLast(), a = nums.pollLast();
        char op = ops.pollLast();
        int ans = 0;
        if (op == '+') ans = a + b;
        else if (op == '-') ans = a - b;
        else if (op == '*') ans = a * b;    
        nums.addLast(ans);
    }
    boolean isNumber(char c) {
        return Character.isDigit(c);
    }
}

• 时间复杂度：
• 空间复杂度：

【拓展】双栈解法

事实上，我提供这套解决方案不仅仅能解决只有 + - * ( ) 或者 + - * / ( ) 的表达式问题，还能解决 + - * / ^ % ( ) 的完全表达式问题。

甚至支持自定义运算符，只要在运算优先级上进行维护即可。

对于「表达式计算」这一类问题，你都可以使用这套思路进行解决。我十分建议你加强理解这套处理逻辑。

以下实现方案，支持了所有的常见的二元运算符，采用的优先级维护也是按照「数学」定义上的优先级。

代码：

import java.util.*;

public class Solution {
    // 使用 map 维护一个运算符优先级
    // 这里的优先级划分按照「数学」进行划分即可
    Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>(){{
        put('-', 1);
        put('+', 1);
        put('*', 2);
        put('/', 2);
        put('%', 2);
        put('^', 3);
    }};

    public int solve(String s) {
        // 将所有的空格去掉
        s = s.replaceAll(" ", "");

        char[] cs = s.toCharArray();
        int n = s.length();

        // 存放所有的数字
        Deque<Integer> nums = new ArrayDeque<>();
        // 为了防止第一个数为负数，先往 nums 加个 0
        nums.addLast(0);
        // 存放所有「非数字以外」的操作
        Deque<Character> ops = new ArrayDeque<>();

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            char c = cs[i];
            if (c == '(') {
                ops.addLast(c);
            } else if (c == ')') {
                // 计算到最近一个左括号为止
                while (!ops.isEmpty()) {
                    if (ops.peekLast() != '(') {
                        calc(nums, ops);
                    } else {
                        ops.pollLast();
                        break;
                    }
                }
            } else {
                if (isNumber(c)) {
                    int u = 0;
                    int j = i;
                    // 将从 i 位置开始后面的连续数字整体取出，加入 nums
                    while (j < n && isNumber(cs[j])) u = u * 10 + (cs[j++] - '0');
                    nums.addLast(u);
                    i = j - 1;
                } else {
                    if (i > 0 && (cs[i - 1] == '(' || cs[i - 1] == '+' || cs[i - 1] == '-')) {
                        nums.addLast(0);
                    }
                    // 有一个新操作要入栈时，先把栈内可以算的都算了 
                    // 只有满足「栈内运算符」比「当前运算符」优先级高/同等，才进行运算
                    while (!ops.isEmpty() && ops.peekLast() != '(') {
                        char prev = ops.peekLast();
                        if (map.get(prev) >= map.get(c)) {
                            calc(nums, ops);
                        } else {
                            break;
                        }
                    }
                    ops.addLast(c);
                }
            }
        }
        // 将剩余的计算完
        while (!ops.isEmpty() && ops.peekLast() != '(') calc(nums, ops);
        return nums.peekLast();
    }
    // 计算逻辑：从 nums 中取出两个操作数，从 ops 中取出运算符，然后根据运算符进行计算即可
    void calc(Deque<Integer> nums, Deque<Character> ops) {
        if (nums.isEmpty() || nums.size() < 2) return;
        if (ops.isEmpty()) return;
        int b = nums.pollLast(), a = nums.pollLast();
        char op = ops.pollLast();
        int ans = 0;
        if (op == '+') ans = a + b;
        else if (op == '-') ans = a - b;
        else if (op == '*') ans = a * b;    
        else if (op == '/') ans = a / b;    
        else if (op == '^') ans = (int)Math.pow(a, b);
        else if (op == '%') ans = a % b;
        nums.addLast(ans);
    }
    boolean isNumber(char c) {
        return Character.isDigit(c);
    }
}

• 时间复杂度：
• 空间复杂度：

最后

这是我们「必考真题 の 精选」系列文章的第 No.137 篇，系列开始于 2021/07/01。

该系列会将牛客网中「题霸 - 面试必考真题」中比较经典而又不过时的题目都讲一遍。

在提供追求「证明」&「思路」的同时，提供最为简洁的代码。

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