数据结构—— 基于二叉树的算术表达式求值

实验五基于二叉树的算术表达式求值

数据结构——中序表达式求值（栈实现）
实验目的：
1.掌握二叉树的二叉链表存储表示和二叉树的遍历等基本算法。
2.掌握根据中缀表达式创建表达式树的算法
3.掌握基于表达式树的表达式求值算法。
实验内容：
问题描述
输入一个表达式(表达式中的数均为小于10的正整数),利用二叉树来表示该表达式,创建表达式树,然后利用二叉树的遍历操作求表达式的值。
输入要求：
多组数据,每组数据一行,对应一个算术表达式,每个表达式均以“=”结尾。当表达式只有一个“=”时,输入结束。
输出要求
每组数据输出1行,为表达式的值。

输出样例
15
3
【实验提示】
首先,读入表达式,参照算法6.4创建一个基于二叉链表表示的表达式树;然后,对表达式树进行后序遍历,得到表达式的值。
【扩展提示】
对于任意一个算术表达式,都可用二叉树来表示。表达式对应的二叉树创建后,利用二叉树的遍历等操作,很容易实现表达式的求值运算。因此问题的关键就是如何创建表达式树,下面讨论由中缀表达式创建表达式树的方法。
假设运算符均为双目运算符,则表达式对应的表达式树中叶子结点均为操作数,分支结点均为运算符。由于创建的表达式树需要准确的表达运算次序,因此在扫描表达式创建表达式树的过程中,当遇到运算符时不能直接创建结点,而应将其与前面的运算符进行优先级比较,根据比较的结果再进行处理。这种处理方式类似于第4章的表达式求值算法中的运算符的比较,可以借助一个运算符栈,来暂存已经扫描到的还未处理的运算符。
根据表达式树与表达式对应关系的递归定义,每两个操作数和一个运算符就可以建立一棵表达式二叉树,而该二叉树又可以作为另一个运算符结点的一棵子树。可以另外借助一个表达式树栈,来暂存已建立好的表达式树的根结点,以便其作为另一个运算符结点的子树而被引用。

为实现表达式树的创建算法

可以使用两个工作栈,一个称做OPTR,用以暂存运算符;另一个称做EXPT,用以暂存已建立好的表达式树的根结点。
为了便于实现,假设每个表达式均以”#”开始,以”#”结束。
表达式树的创建算法步骤
① 初始化OPTR栈和EXPT栈,将表达式起始符“#”压入OPTR栈。
②扫描表达式,读入第一个字符ch,如果表达式没有扫描完毕至“#”或OPTR的栈顶元素不为“#”时,则循环执行以下操作：
i）若ch不是运算符,则以ch为根创建一棵只有根结点的二叉树,且将该树根结点压入EXPT栈,读入下一字符ch；
ii）若ch是运算符,则根据OPTR的栈顶元素和ch的优先级比较结果,做不同的处理:
若是小于,则ch压入OPTR栈,读入下一字符ch；
若是大于,则弹出OPTR栈顶的运算符,从EXPT栈弹出两个表达式子树的根
结点,以该运算符为根结点,以EXPT找中弹出的第二个子树作为左子树,以
EXPT中弹出的第一个子树作为右子树,创建一棵新二叉树,并将该树根结点压入EXPT栈；
若是等于，则OPTR的栈顶元素是“（”且ch是“）”，这时弹出OPTR 栈顶的“（”,相当于括号匹配成功，然后读入下一字符ch。

void EvaluateExpression(BiTree &root,char *str)
{SqStack OPTR;InitStack(&OPTR);SqStack_BiTree EXPT; SqStack_BiTree_InitStack(EXPT);char ch,x,theta;BiTree a,b;int i=0;Push(&OPTR, '=');   //=是表达式结束符ch =str[i++];GetTop(&OPTR, &x);while(ch != '=' || x != '='){if(In(ch))   //是7种运算符之一{switch(Precede(x, ch)){case '<':   //当前已经压栈一个运算符（x）比后一个运算符（c）低时，就将c压栈Push(&OPTR, ch);ch =str[i++];break;case '='://消除小括号 Pop(&OPTR, &x); //脱括号并接收下一字符 ch =str[i++];            break;case '>':Pop(&OPTR,&theta);BiTree TEMP;TEMP=(BiNode*)malloc(sizeof(BiNode));if(!TEMP)exit(-1);TEMP->data=theta; SqStack_BiTree_Pop(EXPT,b);SqStack_BiTree_Pop(EXPT,a);TEMP->lchild=a;TEMP->rchild=b;SqStack_BiTree_Push(EXPT,TEMP);root=TEMP;break;}}if(ch>='0'&&ch<='9'){BiTree Temp;Temp=(BiNode*)malloc(sizeof(BiNode));if(!Temp)exit(-1);Temp->data=ch;Temp->lchild=NULL;Temp->rchild=NULL;SqStack_BiTree_Push(EXPT,Temp);ch=ch =str[i++];;   }GetTop(&OPTR, &x);}}

标题表达式树的求值算法步骤

① 设变量lvalue和 rvalue分别用以记录表达式树中左子树和右子树的值,初始均为0。
② 如果当前结点为叶子(结点为操作数),则返回该结点的数值，否则(结点为运算符)执行以下操作：
递归计算左子树的值记为 lvalue
递归计算右子树的值记为 rvalue
根据当前结点运算符的类型，将lvalue和rvalue进行相应运算并返回。

int  calculate_BiTree(BiTree &T)
{int lvalue;int rvalue;char theta;if(T==NULL) return 0;if(T!=NULL){if(T->lchild==NULL&&T->lchild==NULL)return T->data-'0';else{lvalue=calculate_BiTree(T->lchild);rvalue=calculate_BiTree(T->rchild);theta=T->data;return Operate(lvalue,theta,rvalue);}  }
}

全部代码（可直接运行）

#include<stdio.h>
#include<bits/stdc++.h>
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define OK 1
#define ERROR 0#define STACK_INIT_SIZE 100   //存储空间初始分配量
#define STACKINCREMENT 10   //存储空间分配增量
typedef int Status;
typedef char TElemType;//表达式求值的运算类型
typedef int ElemType;
typedef struct BiNode
{TElemType data;struct BiNode *lchild;struct BiNode *rchild;
}BiNode,*BiTree;
typedef BiTree SBElemType;int  preorderTraverse(BiTree T)//二叉树的先序递归遍历算法
{if(T==NULL)return 0;else {printf("%c ",T->data);preorderTraverse(T->lchild);preorderTraverse(T->rchild);}} int InorderTraverse(BiTree T)//二叉树的中序递归遍历算法
{if(T==NULL)return 0;else {InorderTraverse(T->lchild);printf("%c",T->data);InorderTraverse(T->rchild);}}int  PostorderTraverse(BiTree T)//二叉树的后序递归遍历算法
{if(T==NULL)return 0;else {PostorderTraverse(T->lchild);PostorderTraverse(T->rchild);printf("%c ",T->data);}}typedef struct
{TElemType *base;TElemType *top;int stacksize;
}SqStack;//构造一个空栈
Status InitStack(SqStack *S)
{S->base = (TElemType *)malloc(STACK_INIT_SIZE * sizeof(TElemType));if(!S->base){printf("内存分配失败!\n");exit(0);}S->top = S->base;S->stacksize = STACK_INIT_SIZE;return OK;
}//若栈不为空，则用e返回S的栈顶元素，并返回OK；否则返回ERROR
Status GetTop(SqStack *S, TElemType *e)
{if(S->top == S->base)return ERROR;*e = *(S->top - 1);return OK;
}//插入元素e为新的栈顶元素
Status Push(SqStack *S, TElemType e)
{if(S->top - S->base >= STACK_INIT_SIZE)   //栈满， 追加存储空间{S->base = (TElemType *)realloc(S->base, (S->stacksize + STACKINCREMENT) * sizeof(TElemType));if(!S->base){printf("内存分配失败!\n");exit(OVERFLOW);}S->top = S->base + S->stacksize;S->stacksize += STACKINCREMENT;}*S->top++ = e;return OK;
}//若栈不为空，则删除S的栈顶元素，用e返回其值，并返回Ok；否则返回ERROR
Status Pop(SqStack *S, TElemType *e)
{if(S->top == S->base)return ERROR;*e =  *--S->top;return OK;
}typedef struct {SBElemType *base;  // 栈底指针SBElemType *top;     // 栈顶指针int stacksize;   // 栈空间大小
} SqStack_BiTree;void SqStack_BiTree_InitStack(SqStack_BiTree &S)
{// 构造一个空栈Sif(!(S.base = (SBElemType *)malloc(STACK_INIT_SIZE * sizeof(SBElemType))))exit(0);     // 存储分配失败S.top = S.base;S.stacksize = STACK_INIT_SIZE;
}void SqStack_BiTree_DestroyStack(SqStack_BiTree &S)
{// 销毁栈S，S不再存在free(S.base);S.base = NULL;S.top = NULL;S.stacksize = 0;
}void SqStack_BiTree_Push(SqStack_BiTree &S, SBElemType e)
{if(S.top - S.base >= S.stacksize) { // 栈满，追加存储空间S.base = (SBElemType *)realloc(S.base, (S.stacksize + STACKINCREMENT) * sizeof(SBElemType));if(!S.base)exit(OVERFLOW);           // 存储分配失败S.top = S.base + S.stacksize;S.stacksize += STACKINCREMENT;}*(S.top)++ = e;
}Status SqStack_BiTree_Pop(SqStack_BiTree &S, SBElemType &e)
{// 若栈不空，则删除S的栈顶元素，用e返回其值，并返回OK；// 否则返回ERRORif(S.top == S.base){//printf("此时栈为空，不可以再出栈\n");return ERROR;}e = *--S.top;//printf("当前出栈的元素的值为：%d\n",e);return OK;
}Status SqStack_BiTree_GetTop(SqStack_BiTree S, SBElemType &e)
{// 若栈不空，则用e返回S的栈顶元素，并返回OK；// 否则返回ERRORif(S.top > S.base) {e = *(S.top - 1);//printf("输出栈顶元素为 %d \n",e);return OK;}else{//printf("此时栈为空，得不到栈顶元素\n");return ERROR;}}//根据教科书表3.1，判断两符号的优先关系
char Precede(char t1, char t2)
{  int i,j;  char pre[7][7]={           //运算符之间的优先级制作成一张表格  {'>','>','<','<','<','>','>'},  {'>','>','<','<','<','>','>'},  {'>','>','>','>','<','>','>'},  {'>','>','>','>','<','>','>'},  {'<','<','<','<','<','=','0'},  {'>','>','>','>','0','>','>'},  {'<','<','<','<','<','0','='}};  switch(t1){  case '+': i=0; break;  case '-': i=1; break;  case '*': i=2; break;  case '/': i=3; break;  case '(': i=4; break;  case ')': i=5; break;  case '=': i=6; break;  }  switch(t2){  case '+': j=0; break;  case '-': j=1; break;  case '*': j=2; break;  case '/': j=3; break;  case '(': j=4; break;  case ')': j=5; break;  case '=': j=6; break;  }  return pre[i][j];
}
//判断c是否为运算符
Status In(TElemType c)
{switch(c){case '+':case '-':case '*':case '/':case '(':case ')':case '=':return TRUE;default:return FALSE;}}//二元运算(a theta b)
ElemType Operate(ElemType a, TElemType theta, ElemType b)
{TElemType c;switch(theta){case '+':c = a + b;break;case '-':c = a - b;break;case '*':c = a * b;break;case '/':c = a / b;break;}return c;
}void EvaluateExpression(BiTree &root,char *str)
{SqStack OPTR;InitStack(&OPTR);SqStack_BiTree EXPT; SqStack_BiTree_InitStack(EXPT);char ch,x,theta;BiTree a,b;int i=0;Push(&OPTR, '=');   //=是表达式结束符ch =str[i++];GetTop(&OPTR, &x);while(ch != '=' || x != '='){if(In(ch))   //是7种运算符之一{switch(Precede(x, ch)){case '<':   //当前已经压栈一个运算符（x）比后一个运算符（c）低时，就将c压栈Push(&OPTR, ch);ch =str[i++];break;case '='://消除小括号 Pop(&OPTR, &x); //脱括号并接收下一字符 ch =str[i++];            break;case '>':Pop(&OPTR,&theta);BiTree TEMP;TEMP=(BiNode*)malloc(sizeof(BiNode));if(!TEMP)exit(-1);TEMP->data=theta; SqStack_BiTree_Pop(EXPT,b);SqStack_BiTree_Pop(EXPT,a);TEMP->lchild=a;TEMP->rchild=b;SqStack_BiTree_Push(EXPT,TEMP);root=TEMP;break;}}if(ch>='0'&&ch<='9'){BiTree Temp;Temp=(BiNode*)malloc(sizeof(BiNode));if(!Temp)exit(-1);Temp->data=ch;Temp->lchild=NULL;Temp->rchild=NULL;SqStack_BiTree_Push(EXPT,Temp);ch=ch =str[i++];;   }GetTop(&OPTR, &x);}}int    calculate_BiTree(BiTree &T)
{int lvalue;int rvalue;char theta;if(T==NULL) return 0;if(T!=NULL){if(T->lchild==NULL&&T->lchild==NULL)return T->data-'0';else{lvalue=calculate_BiTree(T->lchild);rvalue=calculate_BiTree(T->rchild);theta=T->data;return Operate(lvalue,theta,rvalue);}  }
}int main()
{BiTree T;char str[1000];int result[100]={0};int number=0;do{printf("输入表达式：");gets(str);EvaluateExpression(T,str);result[number]=calculate_BiTree(T);number++;}while(strcmp(str,"=")!=0);for(int j=0;j<number-1;j++){printf("\n表达式运算结果：%d",result[j]);}}