【LeetCode刷题日记】150.逆波兰表达式求值

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命运的结局尽可永在,不屈的挑战却不可须臾或缺!

摘要:

本文介绍了逆波兰表达式(后缀表达式)的计算方法。逆波兰表达式通过将运算符置于操作数之后,消除了括号需求且运算顺序明确。

解题关键在于使用栈结构:遇到数字入栈,遇到运算符则弹出栈顶两个元素进行运算并将结果重新入栈。特别要注意除法和减法的操作数顺序问题(先弹出的是右操作数)。

文章提供了Java实现代码,演示了如何处理加减乘除运算,同时强调了字符串比较应使用equals()方法而非==运算符。这种栈处理方法与二叉树后序遍历原理相通,是计算机科学中表达式求值的经典算法。

题目背景:

根据 逆波兰表示法,求表达式的值。

有效的运算符包括 + , - , * , / 。每个运算对象可以是整数,也可以是另一个逆波兰表达式。

说明:

整数除法只保留整数部分。 给定逆波兰表达式总是有效的。换句话说,表达式总会得出有效数值且不存在除数为 0 的情况。

示例 1:

  • 输入: ["2", "1", "+", "3", " * "]
  • 输出: 9
  • 解释: 该算式转化为常见的中缀算术表达式为:((2 + 1) * 3) = 9

示例 2:

  • 输入: ["4", "13", "5", "/", "+"]
  • 输出: 6
  • 解释: 该算式转化为常见的中缀算术表达式为:(4 + (13 / 5)) = 6

示例 3:

  • 输入: ["10", "6", "9", "3", "+", "-11", " * ", "/", " * ", "17", "+", "5", "+"]

  • 输出: 22

  • 解释:该算式转化为常见的中缀算术表达式为:

    复制代码
    ((10 * (6 / ((9 + 3) * -11))) + 17) + 5       
    = ((10 * (6 / (12 * -11))) + 17) + 5       
    = ((10 * (6 / -132)) + 17) + 5     
    = ((10 * 0) + 17) + 5     
    = (0 + 17) + 5    
    = 17 + 5    
    = 22    

逆波兰表达式:是一种后缀表达式,所谓后缀就是指运算符写在后面。

平常使用的算式则是一种中缀表达式,如 ( 1 + 2 ) * ( 3 + 4 ) 。

该算式的逆波兰表达式写法为 ( ( 1 2 + ) ( 3 4 + ) * ) 。

逆波兰表达式主要有以下两个优点:

  • 去掉括号后表达式无歧义,上式即便写成 1 2 + 3 4 + * 也可以依据次序计算出正确结果。

  • 适合用栈操作运算:遇到数字则入栈;遇到运算符则取出栈顶两个数字进行计算,并将结果压入栈中

题目解析:

递归就是用栈来实现的。

所以栈与递归之间在某种程度上是可以转换的! 这一点我们在后续讲解二叉树的时候,会更详细的讲解到。

那么来看一下本题,其实逆波兰表达式相当于是二叉树中的后序遍历。 大家可以把运算符作为中间节点,按照后序遍历的规则画出一个二叉树。

但我们没有必要从二叉树的角度去解决这个问题,只要知道逆波兰表达式是用后序遍历的方式把二叉树序列化了,就可以了。

在进一步看,本题中每一个子表达式要得出一个结果,然后拿这个结果再进行运算,那么这岂不就是一个相邻字符串消除的过程

相信看完动画大家应该知道,这和1047. 删除字符串中的所有相邻重复项是差不多的,只不过本题不要相邻元素做消除了,而是做运算,这道题目也是《数据结构与算法》一书中的经典例题。其中这书中还讲解了其他的方式:

我们习惯看到的表达式都是中缀表达式,因为符合我们的习惯,但是中缀表达式对于计算机来说就不是很友好了。

例如:4 + 13 / 5,这就是中缀表达式,计算机从左到右去扫描的话,扫到13,还要判断13后面是什么运算符,还要比较一下优先级,然后13还和后面的5做运算,做完运算之后,还要向前回退到 4 的位置,继续做加法,你说麻不麻烦!

那么将中缀表达式,转化为后缀表达式之后:["4", "13", "5", "/", "+"] ,就不一样了,计算机可以利用栈来顺序处理,不需要考虑优先级了。也不用回退了, 所以后缀表达式对计算机来说是非常友好的

达式类型 示例 特点
前缀表达式(波兰式) + 3 4 运算符在前面
中缀表达式(日常) 3 + 4 运算符在中间,需要括号
后缀表达式(逆波兰) 3 4 + 运算符在后面,无需括号
具体代码细节:
复制代码
 stack.push(Integer.valueOf(s));

加入数字:将字符串数字转换成整数,然后压入栈中

规则: 遇到数字就入栈,遇到运算符就弹出两个数字计算,结果再入栈。

text

复制代码
示例: tokens = ["2", "1", "+", "3", "*"]

步骤1: 遇到 "2" → 入栈     栈: [2]
步骤2: 遇到 "1" → 入栈     栈: [2, 1]
步骤3: 遇到 "+" → 弹出 1、2,计算 2+1=3,入栈  [3]
步骤4: 遇到 "3" → 入栈     栈: [3, 3]
步骤5: 遇到 "*" → 弹出 3、3,计算 3*3=9,入栈  [9]

返回 9 ✅

为什么用 LinkedList 而不是 ArrayDeque

实现类 特点 本题适用性
ArrayDeque 数组实现,性能更好 ✅ 更好
LinkedList 链表实现,内存开销大 ✅ 也能用
注意事项 说明
字符串比较 必须用 equals,不能用 ==
减法和除法的顺序 先弹出的是右操作数,后弹出的是左操作数
除法取整 题目要求整数除法,向零截断(Java / 自然满足)
负数处理 -11 是字符串,Integer.valueOf() 可以正常转换
栈类型 Deque<Integer> 而不是 Stack<Integer>

所以这里要注意顺序:除法的时候

假设栈:[6, 2](6在栈底,2在栈顶,想要计算 6 / 2 = 3

错误写法 ❌

java 复制代码
java

stack.push(stack.pop() / stack.pop());

执行过程:

java 复制代码
java

int a = stack.pop();  // a = 2(先弹出的是右操作数)
int b = stack.pop();  // b = 6(后弹出的是左操作数)
stack.push(a / b);    // 2 / 6 = 0 ❌ 结果错误!

正确写法 ✅

java 复制代码
java

int a = stack.pop();  // a = 2(除数,右操作数)
int b = stack.pop();  // b = 6(被除数,左操作数)
stack.push(b / a);    // 6 / 2 = 3 ✅

题目答案:

java 复制代码
class Solution {
    public int evalRPN(String[] tokens) {
        Deque<Integer> stack = new LinkedList();
        for (String s : tokens) {
            if ("+".equals(s)) {        // leetcode 内置jdk的问题,不能使用==判断字符串是否相等
                stack.push(stack.pop() + stack.pop());      // 注意 - 和/ 需要特殊处理
            } else if ("-".equals(s)) {
                stack.push(-stack.pop() + stack.pop());
            } else if ("*".equals(s)) {
                stack.push(stack.pop() * stack.pop());
            } else if ("/".equals(s)) {
                int temp1 = stack.pop();
                int temp2 = stack.pop();
                stack.push(temp2 / temp1);
            } else {
                stack.push(Integer.valueOf(s));
            }
        }
        return stack.pop();
    }
}

结语:如果对你有帮助,请点赞,关注,收藏,你的支持就是我最大的鼓励!

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