逆波兰表达

原创
2018/10/24 17:45
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逆波兰表示法

逆波兰表示法(Reverse Polish notation,RPN,或逆波兰记法),是一种是由波兰数学家扬·武卡谢维奇1920年引入的数学表达式方式,在逆波兰记法中,所有操作符置于操作数的后面,因此也被称为后缀表示法。逆波兰记法不需要括号来标识操作符的优先级。

逆波兰结构由弗里德里希·鲍尔(Friedrich L. Bauer)和艾兹格·迪科斯彻在1960年代早期提议用于表达式求值,以利用堆栈结构减少计算机内存访问。逆波兰记法和相应的算法由澳大利亚哲学家、计算机学家查尔斯·汉布林(Charles Hamblin)在1960年代中期扩充

在1960和1970年代,逆波兰记法广泛地被用于台式计算器,因此也在普通公众(工程、商业和金融领域)中使用。

逆波兰记法中,操作符置于操作数的后面。例如表达“三加四”时,写作“3 4 +”,而不是“3 + 4”。如果有多个操作符,操作符置于第二个操作数的后面,所以常规中缀记法的“3 - 4 + 5”在逆波兰记法中写作“3 4 - 5 +”:先3减去4,再加上5。 使用逆波兰记法的一个好处是不需要使用括号。例如中缀记法中“3 - 4 * 5”与“(3 - 4)*5”不相同,但后缀记法中前者写做“3 4 5 * -”,无歧义地表示“3 (4 5 *) -”;后者写做“3 4 - 5 *”。

逆波兰表达式的解释器一般是基于堆栈的。

解释过程一般是:操作数入栈;遇到操作符时,操作数出栈,求值,将结果入栈;当一遍后,栈顶就是表达式的值。因此逆波兰表达式的求值使用堆栈结构很容易实现,并且能很快求值。

注意:逆波兰记法并不是简单的波兰表达式的反转。因为对于不满足交换律的操作符,它的操作数写法仍然是常规顺序,如,波兰记法“/ 6 3”的逆波兰记法是“6 3 /”而不是“3 6 /”;数字的数位写法也是常规顺序。

逆波兰表达式求值

伪代码

  • while有输入符号
  • 读入下一个符号X
  • IF X是一个操作数
  • 入栈
  • ELSE IF X是一个操作符
  • 有一个先验的表格给出该操作符需要n个参数
  • IF堆栈中少于n个操作数
  • (错误) 用户没有输入足够的操作数
  • Else,n个操作数出栈
  • 计算操作符。
  • 将计算所得的值入栈
  • IF栈内只有一个值
  • 这个值就是整个计算式的结果
  • ELSE多于一个值
  • (错误) 用户输入了多余的操作数

例子 中缀表达式“5 + ((1 + 2) * 4) − 3”写作5 1 2 + 4 * + 3 − 下表给出了该逆波兰表达式从左至右求值的过程,堆栈栏给出了中间值,用于跟踪算法。

|输入|操作|堆栈|注释| |:---- |:---|:----- ||:----- | |5|入栈|5 || |1|入栈|5,1 | | |2|入栈|5,1,2 | | |+|加法运算|5,3|(1,2)出栈;将结果(3)入栈| |4|入栈|5,3,4 | | |*|乘法运算|5,12|(3,4)出栈;将结果(12)入栈| |+|加法运算|17|(5,12)出栈;将结果(17)入栈| |2|入栈|17,3 | | |-|减法运算|14|(17,3)出栈;将结果(14)入栈| 计算完成时,栈内只有一个操作数,这就是表达式的结果:14 上述运算可以重写为如下运算链方法(用于HP的逆波兰计算器): 1 2 + 4 * 5 + 3 −

实际意义

  • 当有操作符时就计算,因此,表达式并不是从右至左整体计算而是每次由中心向外计算一部分,这样在复杂运算中就很少导致操作符错误。
  • 堆栈自动记录中间结果,这就是为什么逆波兰计算器能容易对任意复杂的表达式求值。与普通科学计算器不同,它对表达式的复杂性没有限制。
  • 逆波兰表达式中不需要括号,用户只需按照表达式顺序求值,让堆栈自动记录中间结果;同样的,也不需要指定操作符的优先级。
  • 逆波兰计算器中,没有“等号”键用于开始计算。
  • 逆波兰计算器需要“确认”键用于区分两个相邻的操作数。
  • 机器状态永远是一个堆栈状态,堆栈里是需要运算的操作数,栈内不会有操作符。
  • 教育意义上,逆波兰计算器的使用者必须懂得要计算的表达式的含义。 目前逆波兰的实现有:
  • 任何基于栈的程序语言:
  • Forth
  • Factor语言
  • PostScript语言。
  • 线上的逆波兰计算器
  • Windows下逆波兰计算器
  • Windows XP下的Microsoft PowerToy calculator
  • 手机逆波兰计算器开源的JAVA计算器
  • Palm PDA下的逆波兰计算器
  • Mac OS X计算器
  • Mac OS X和iPhone下的逆波兰计算器
  • Unix下的计算程序dc
  • 交互式JavaScript的逆波兰计算器
  • Wikibooks:Ada Programming/Mathematical calculations (Ada语言中的逆波兰计算器)
  • Emacs的lisp lib包: calc
  • 基于GTK+的galculator
  • 表达式转换
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