Java语言GUI实现计算器

Java语言GUI实现计算器以及源代码

一、设计分析
1.1任务及其目的
设计一个计算器应用程序，完成复杂的科学运算。设计的计算器应用程序可以完成加法、减法、乘法、除法和科学函数运算。且有小数点、正负号、求倒数、退格和清零等功能。用鼠标点击相应的数字键和运算符号键，然后点击=按钮。窗口上方的文本框将会显示计算出来的结果，如果未显示说明输入的表达式有误。要将文本框清零，科单击清零按钮。
1.2设计思路
实现主要分为两部分：

编写能实现简单四则运算的类（BaseCalcucator.class）
将传入的中缀表达式转化为逆波兰表达式，在进行计算。
编写进行科学计算的类（SceneCalculator.class）
将传入的式子进行相应的科学计算，并用计算出来的结果进行替代掉进行科学计算的式子。
二，程序结构
1、程序流程如下图

图2.1程序流程图
2、程序界面

图2.2程序界面图
控件
1.文本框TextArea：text用于显示当前计算的式子，recordArea用于显示过去计算的式子,mermoryArea用于显示计算器“寄存器”中的值。
2.功能Button：record和mermor用于在历史记录和“寄存器”之间进行切换。
3.数字Button：0-9.小数点
4.运算符Button：+ - * / ( ) =
5.计算器基本Button：←用于退格，c用于清空mathNow、recordArea、mermoryArea
6.科学运算符Button::(15个)
sin,cos,tan,ln,log,e,π,1/x, x2，x3， , x!,√, ,|x|,
7.切换Button：Deg代表角度制，Rad代表弧度制。通过点击Deg实现角度制与弧度制之间的切换
成员变量
1．private String mathPast=” ”,用于存储上次运算的式子
2.private String mathNow =” ”，用于存储现在运算的式子
3.private String showNow=” ”,用于存储显示在文本框的式子
4.private String m;用于存储使用计算器寄存器的数
5.private String restult=””;用于计算出来的结果
6.pivate String temp=””,用于暂时存储的数字
7.private int TrigCalculMethod=0;(默认设置为0，进行角度制运算)
TrigCalculMethod=0,进行角度制运算，TrigCalculMethod=1,进行弧度制运算
8.private int equal_flag=0;进行等号按钮的标记（及刚刚是否进行了一次运算）
equal_flag=0,及刚刚没有进行运算，equal_flag=1,代表刚刚进行了一次运算

三、各模块的功能及程序说明
3.1 Calcuator主类模块
3.1.1 初始化特殊函数按钮
由于JButton 按钮上无法显示出x2，x3，，，所以图片粘贴的办法，将相应的函数图片粘贴到按钮的表面。,

//创建x的平方，x的三次方，x的y次方，x开y次方按钮ImageIcon squareimg = new ImageIcon("src\\Calcuator\\x的平方.png");// 创建图片对象ImageIcon cubeimg = new ImageIcon("src\\Calcuator\\x的三次方.png");// 创建图片对象ImageIcon powerimg = new ImageIcon("src\\Calcuator\\x的y次方.png");// 创建图片对象ImageIcon readicationimg = new ImageIcon("src\\Calcuator\\x开y次方.png");// 创建图片对象Image squareimage = squareimg.getImage();Image cubeimage = cubeimg.getImage();Image powerimage = powerimg.getImage();Image readicationimage = readicationimg.getImage();//为把它缩小点，先要取出这个Icon的image ,然后缩放到合适的大小Image squaresmallImage = squareimage.getScaledInstance(25,25,Image.SCALE_FAST);Image cubesmallImage = cubeimage.getScaledInstance(25,25,Image.SCALE_FAST);Image powersmallImage = powerimage.getScaledInstance(25,25,Image.SCALE_FAST);Image readictionsmallImage = readicationimage.getScaledInstance(30,30,Image.SCALE_FAST);//再由修改后的Image来生成合适的Icon;//***Image对象创建ImageIcon对象,可查阅ImageIcon的构造方法***ImageIcon smallIcon  = new ImageIcon(squaresmallImage);ImageIcon cmallIcon = new ImageIcon(cubesmallImage);ImageIcon pmallIcon = new ImageIcon(powersmallImage);ImageIcon rmallIcon = new ImageIcon(readictionsmallImage);JButton squarebuttion=new JButton(smallIcon);JButton cubebuttion=new JButton(cmallIcon);JButton powerbuttion=new JButton(pmallIcon);JButton readictionbuttion=new JButton(rmallIcon);

  图3.1.1 特殊函数按钮初始化代码图

3.1.2 初始化计算器的界面

使用构造法，进行计算器开始界面的设计。

public Calcuator (){super("计算器");this.setBounds(400, 250, 900, 680);//设置窗体图片
//    this.setIconImage(walkpaperimage);this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//设置窗体的布局形式
GridBagLayout gr=new GridBagLayout();
GridBagConstraints gc=new GridBagConstraints();//设置窗体布局this.setLayout(gr);//创建模板JPanel jp1 = createPanel1();JPanel jp2 = createPanel2();//对整个窗体进行网格包布局 jp1,jp4gc.weightx=90;gc.weighty=68;gc.fill=GridBagConstraints.BOTH;gc.gridwidth=7;gc.gridheight=10;gc.gridx=0;gc.gridy=0;gr.setConstraints(jp1,gc);this.add(jp1);gc.gridwidth=3;gc.gridheight=10;gc.gridx=7;gc.gridy=0;gr.setConstraints(jp2,gc);this.add(jp2);this.setVisible(true);}

图3.1.2构造计算器开始界面

设计思路：
1、将计算器开始窗口划分为两个左右大面板。左边的面板放置用于显示的文本域和按钮，右边的面板用于放置历史记录按钮和内存按钮及其对应的文本域.。然后采用网格包布局管理器，进行分配比例和布局。
2、（方法createPanel1（））在左边的大面板中再创建两个面板。将文本域放置在一个面板，按钮也放置在单独的一个面板。然后采用边界布局，将文本域所在的面板放置大面板的North，按钮所在的面板放置在Center。在按钮所在的面板中采用网格布局放置每一个按钮，然后实例化监听类（ButtonAction）的对象（ba），并在每一个按钮上添加监听对象（ba）。
3、（方法 createPanel2()）在右边的大面板中同样创建两个面板。一个放置历史记录按钮和内存按钮，一个放置对应的文本域。也是采用边界布局，将按钮所在的面板置于North，将文本域的面板置于Center。放置文本域的面板再采用卡片布局，放置不同按钮对应的文本域。

3.1.3 监听类（ButtonAction）的设置
用Plantuml绘制监听类的原理如下：
代码与原理图有所出入，不过大致原理是一样的。
3.1.3 监听类原理图
设计思路
1、将计算器所有按钮（除去Degr、历史记录、内存）的监听编写在一个类中。
2、把计算器的按钮分为四个类型：常量型、运算符、函数型、功能。并设计对应的四个模块。点击按钮则运行对应模块。

3.2 ScienCalcuator类
把要进行计算的表达式转入到ScienCalcuator类，进行科学运算，并计算出来的结果替代相应的字符。最后得到没有科学运算符的字符串，再将其传入BaseCalcuator中。
3.2.1 对计算式进行预处理
去掉 math 中的空格，替换 π，替换自然指数 e
3.2.1 计算式的预处理
3.2.2 pow运算（”^”）
获取^左右两边的参数进行Math.pow计算，如果参数是表达式，需要调用fScienCalcuator方法，然后用结算结果替换科学运算式部分。
大致原理如下图：

String fPower(String con_str) {while (con_str.contains("^")) {//1.中间寻找的点int midIndex = con_str.lastIndexOf("^");//2.获取左边参数double leftNum; //左边的数String leftStr; //左边math字符串int leftIndex = midIndex - 1;if (con_str.charAt(leftIndex) == ')') {        //1.左边是一个表达式，即左边用括号括起来int i = leftIndex - 1;int LeftBrackSum=0;int RightBrackSum=1;while(LeftBrackSum!=RightBrackSum) {if(con_str.charAt(i)=='(')LeftBrackSum+=1;if(con_str.charAt(i)==')')RightBrackSum+=1;i--;}String subLeftMath = con_str.substring(i+2, leftIndex);if(subLeftMath.contains("sin")||subLeftMath.contains("^")||subLeftMath.contains("cos")||subLeftMath.contains("tan")||subLeftMath.contains("ln")||subLeftMath.contains("log")||subLeftMath.contains("!")||subLeftMath.contains("abs")) {String  subLeftMath1=subLeftMath;leftNum =Double.parseDouble(fScienceCalcuator(subLeftMath1));}elseleftNum =Double.parseDouble(fBaseCalcuator(subLeftMath));if (leftNum == Double.MAX_VALUE) //每次计算要判断是否出现 math errorreturn String.valueOf(Double.MAX_VALUE);leftStr = "(" + subLeftMath + ")";} else {                                    //2.左边是一个数//注意：判定index范围一定要在左边，否则可能出现IndexOutOfRange异常while (leftIndex >= 0 && !isOper(con_str.charAt(leftIndex))) {leftIndex--;}leftStr = con_str.substring(leftIndex + 1, midIndex);leftNum = Double.parseDouble(leftStr);}//3.获取右边参数double rightNum;String rightStr;int rightIndex = midIndex + 1;if (con_str.charAt(rightIndex) == '(') {int i = rightIndex + 1;int  LeftBrackSum=1;int  RightBrackSum=0;while (LeftBrackSum !=RightBrackSum) {if(con_str.charAt(i)=='(')LeftBrackSum+=1;if(con_str.charAt(i)==')')RightBrackSum+=1;i++;}String subRightMath = con_str.substring(rightIndex + 1, i-1);if(subRightMath.contains("sin")||subRightMath.contains("cos")||subRightMath.contains("^")||subRightMath.contains("tan")||subRightMath.contains("ln")||subRightMath.contains("log")||subRightMath.contains("!")||subRightMath.contains("abs")) {String subRightMath1=subRightMath;rightNum=Double.parseDouble(fScienceCalcuator(subRightMath1));}elserightNum=Double.parseDouble(fBaseCalcuator(subRightMath));if (rightNum == Double.MAX_VALUE)return String.valueOf(Double.MAX_VALUE);rightStr = "(" + subRightMath + ")";} else {while (rightIndex < con_str.length() && !isOper(con_str.charAt(rightIndex))) {rightIndex++;}rightStr = con_str.substring(midIndex + 1, rightIndex);rightNum = Double.parseDouble(rightStr);}//4.得到完整的运算式并运算和替换String wholeMath = leftStr + "^" + rightStr;double result = Math.pow(leftNum, rightNum);con_str = con_str.replace(wholeMath, String.valueOf(result));}return con_str;}

图3.2.2 pow运算代码实现
3.2.3 计算剩下的运算符
包括 sin, cos, tan, ln, log, !
通过获取括号位置，如sin(cos(50)),先获取cos(50)完成计算并进行对应位置的替代，在调用Math.sin计算，根据angle_metric的值选择DEG还是RAD.
下图是fTraingle函数的核心部分

 String fTraingle(String con_str) {while (con_str.contains("sin")|| con_str.contains("cos")|| con_str.contains("tan")|| con_str.contains("ln")|| con_str.contains("log")||con_str.contains("abs")) {String tempor = null;//用于暂时保留三角运算符int beginIndex =0;//保留运算符号后面括号的索引值String temp="";if(con_str.contains("sin")|| con_str.contains("cos")|| con_str.contains("tan")|| con_str.contains("ln")|| con_str.contains("log")||con_str.contains("abs")) {if(con_str.contains("sin")) {tempor="sin";beginIndex=con_str.lastIndexOf(tempor)+3;}elseif(con_str.contains("cos")) {tempor="cos";beginIndex=con_str.lastIndexOf(tempor)+3;}elseif(con_str.contains("tan")) {tempor="tan";beginIndex=con_str.lastIndexOf(tempor)+3;}elseif(con_str.contains("ln")) {tempor="ln";beginIndex=con_str.lastIndexOf(tempor)+2;if(beginIndex-2>0) {if (isNum(con_str.charAt(beginIndex - 3))||con_str.charAt(beginIndex-3)=='.') {int i = con_str.lastIndexOf(tempor) - 1;while ((isNum(con_str.charAt(i))||con_str.charAt(i)=='.')&&i!=0) {i--;}//进行字符串的赋值if (i>0)temp = con_str.substring(i + 1, con_str.lastIndexOf(tempor));elsetemp=con_str.substring(i,con_str.lastIndexOf(tempor));}if (con_str.charAt(beginIndex-3)==')'){int leftIndex=beginIndex-3;int i = leftIndex - 1;int LeftBrackSum=0;int RightBrackSum=1;while(LeftBrackSum!=RightBrackSum) {if(con_str.charAt(i)=='(')LeftBrackSum+=1;if(con_str.charAt(i)==')')RightBrackSum+=1;i--;}temp = con_str.substring(i+1, leftIndex+1);System.out.println(temp+"templn");}
                        else
//                            if (con_str.charAt(beginIndex-3)=='e'||con_str.charAt(beginIndex-3)=='π') {//                                temp = "";
//                                System.out.println("提前知道数");
//                            }}}elseif(con_str.contains("abs")) {tempor="abs";beginIndex=con_str.lastIndexOf(tempor)+3;}elseif(con_str.contains("log")) {tempor="log";beginIndex=con_str.lastIndexOf(tempor)+3;if(beginIndex-3>0) {if (isNum(con_str.charAt(beginIndex - 4))||con_str.charAt(beginIndex-4)=='.') {int i = con_str.lastIndexOf(tempor) - 1;while ((isNum(con_str.charAt(i))||con_str.charAt(i)=='.')&&i!=0) {i--;}//进行字符串的赋值if (i>0)temp = con_str.substring(i + 1, con_str.lastIndexOf(tempor));elsetemp=con_str.substring(i,con_str.lastIndexOf(tempor));}if (con_str.charAt(beginIndex-4)==')'){int leftIndex=beginIndex-4;int i = leftIndex - 1;int LeftBrackSum=0;int RightBrackSum=1;while(LeftBrackSum!=RightBrackSum) {if(con_str.charAt(i)=='(')LeftBrackSum+=1;if(con_str.charAt(i)==')')RightBrackSum+=1;i--;}temp = con_str.substring(i+1, leftIndex+1);
//                            System.out.println(temp+"templn");}}}}//1.获取()内运算式并计算出结果，此时假设()不再包含复杂的科学运算if (con_str.charAt(beginIndex) == '(') {int i = beginIndex + 1;int  LeftBrackSum=1;int  RightBrackSum=0;while (LeftBrackSum !=RightBrackSum) {if(con_str.charAt(i)=='(')LeftBrackSum+=1;if(con_str.charAt(i)==')')RightBrackSum+=1;i++;}//获取括号内得字符串String subMath = con_str.substring(beginIndex + 1, i-1);double subResult;if(subMath.contains("sin")||subMath.contains("cos")||subMath.contains("^")||subMath.contains("tan")||subMath.contains("ln")||subMath.contains("log")||subMath.contains("!")||subMath.contains("abs")) {String subRightMath1=subMath;subResult=Double.parseDouble(fScienceCalcuator(subRightMath1));}elsesubResult = Double.parseDouble(fBaseCalcuator(subMath));if (subResult == Double.MAX_VALUE) //每次计算要判断是否出现 math errorreturn String.valueOf(Double.MAX_VALUE);//           3.匹配scienceOper进行科学运算，并替换相应部分String tempMath;double tempResult = 0;int DEG = 0; //判断角度制switch (tempor) {case "sin":tempMath = "sin(" + subMath + ")";if (angle_metric == DEG) {tempResult = Math.sin(subResult / 180 * Math.PI); //将默认的 Rad → Deg} else {tempResult = Math.sin(subResult);}con_str = con_str.replace(tempMath, String.valueOf(tempResult));break;case "cos":tempMath = "cos(" + subMath + ")";if (angle_metric == DEG) {tempResult = Math.cos(subResult / 180 * Math.PI);} else {tempResult = Math.cos(subResult);}con_str= con_str.replace(tempMath, String.valueOf(tempResult));break;case "tan":tempMath = "tan(" + subMath + ")";if (angle_metric == DEG) {if(subResult==90)con_str="error";elsetempResult = Math.tan(subResult / 180 * Math.PI);} else {if(subResult==Math.PI/2)con_str="error";elsetempResult = Math.tan(subResult);}con_str = con_str.replace(tempMath, String.valueOf(tempResult));break;case "ln":tempMath =temp+ "ln(" + subMath + ")";if(!temp.equals("")) {temp=fScienceCalcuator(temp);subResult = Math.pow(subResult, Double.parseDouble(temp));
//                            System.out.println("temp="+temp);}tempResult = Math.log(subResult);con_str = con_str.replace(tempMath, String.valueOf(tempResult));break;case "log":tempMath = temp+"log(" + subMath + ")";if(!temp.equals("")){temp=fScienceCalcuator(temp);subResult=Math.pow(subResult, Double.parseDouble(temp));
//                        System.out.println("temp="+temp);}tempResult = Math.log10(subResult);con_str = con_str.replace(tempMath, String.valueOf(tempResult));break;case "abs":tempMath = "abs(" + subMath + ")";tempResult = Math.abs(subResult);con_str= con_str.replace(tempMath, String.valueOf(tempResult));break;default:break;}}
////}return con_str;}

图 3.2.3 fTraingle函数核心部分代码实现

3.3 BaseCalcuator类
把ScienCalcuator类，传入的式子，采用逆波兰表达式算法进行计算，最后得到结果。
关于逆波兰表达式算法介绍：
https://blog.csdn.net/qq_39662044/article/details/76595701
十分感谢这位博主，这篇博客给予我的很大帮助，谢谢您。
四、程序测试
成功计算则会显示出结果，反之则表达式有误。

图4.1 成功计算
这只是个例子，可以实现很多正确表达式的计算。

图4.2 错误表达式的计算
五、设计心得
用 Java 做计算器，主要是处理 String 类型的 mathNow 表达式，灵活运用 String 的方法，通过截取原始的 mathNow 分治结果问题：先预处理 mathNow，去掉影响计算的空格等再替换 π，e再计算科学运算式,最后把 mathNow 替换成没有科学运算符的中缀表达式，再利用逆波兰运算的方法计算出最终结果
总的来说，此次设计我收获很多，基本上理解了编写一个 Java 应用的基本架构，先编写好接口，再设计界面，最后把响应事件与接口联系起来，做成一个体验很好的计算器。

源代码链接：https://download.csdn.net/download/qq_49207029/12599057

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