數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):Expression Tree

Expression Tree即表達(dá)式樹,專門用于計算表達(dá)式。例如,3-(4+5),轉(zhuǎn)化成list形式,即['3','-','(','4','+','5',')'],其表達(dá)式樹為:
-
/
3 +
/
4 5
這樣安排的好處是,這棵樹的后續(xù)遍歷就是逆波蘭表達(dá)式,即[3,4,5,+,-]。由逆波蘭表達(dá)式即可進(jìn)行計算。
表達(dá)式樹的關(guān)鍵在于生成,生成是根據(jù)優(yōu)先度來決定的。對于普通的加減乘除表達(dá)式,有以下規(guī)定:

  1. 數(shù)字的優(yōu)先度是最大的;
  2. +-優(yōu)先度為+1
  3. */優(yōu)先度為+2
  4. 遇到'(',優(yōu)先度+10;遇到')',優(yōu)先度減10
    則例子中的優(yōu)先度list是[max, 1, max, 11, max]。把括號從計算當(dāng)中去除。
    那么,相當(dāng)于把表達(dá)式轉(zhuǎn)換成為了一個最小樹,優(yōu)先度最小的在上面,優(yōu)先度最大的數(shù)字在葉子節(jié)點(diǎn)上。
    而對于生成最大/最小樹,有一個很優(yōu)雅的解法:
  5. 新建一個stk,然后對優(yōu)先度list遍歷;
  6. 對于一個元素n,每當(dāng)stk之前的元素比其大,就將其作為n的左子樹,直至stk為空,或者遇到一個比n小的元素,此時就把n作為其右子樹;
  7. 直至遍歷結(jié)束,返回stk[0]即可。
    要實(shí)現(xiàn)“一條龍服務(wù)”,需要以下功能:
  8. 從字符串表達(dá)式到表達(dá)式的list形式;T:O(n) S:O(n)
  9. 從表達(dá)式list到表達(dá)式樹;T:O(n) S:O(n)
  10. 對表達(dá)式樹后序遍歷獲得逆波蘭表達(dá)式;T:O(n) S:O(n)
  11. 對逆波蘭表達(dá)式進(jìn)行計算。T:O(n) S:O(n)
    總體復(fù)雜度T:O(n) S:O(n)。雖然有點(diǎn)長,但是解決了不少表達(dá)式計算的問題。代碼如下:
class MyTreeNode:
    def __init__(self, val, s):
        self.left = None
        self.right = None
        self.val = val
        self.s = s

maxint = 0x7fffffff
class ExpressionTree:
    # convert the str expression to the list form
    def convert(self, s):
        if not s:
            return []
        ret = []
        i = 0
        while i < len(s):
            if s[i] in ['+','-','*','/','(',')']:
                ret.append(s[i])
                i += 1
            else:
                j = i
                while j < len(s) and s[j] not in ['+','-','*','/','(',')']:
                    j += 1
                ret.append(s[i:j])
                i = j
        return ret

    # build theexpression tree using the expression list
    def build(self, expression):
        # writeyour code here
        return self.create_tree(expression)

    # calculate theexpression value using the expression tree
    def calculate(self, node):
        exp = []
        self.postOrder(node, exp)
        operands, operators= [], []
        for i in range(len(exp)):
            if exp[i] in ['+', '-', '*', '/']:
                operators.append(exp[i])
                self.compute(operands, operators)
            else:
                operands.append(float(exp[i]))
        return operands[0] if len(operands) > 0 else 0

    def compute(self, operands, operators):
        right, left = operands.pop(), operands.pop()
        op = operators.pop()
        if op == '+':
            operands.append(left + right)
        elif op == '-':
            operands.append(left - right)
        elif op == '*':
            operands.append(left * right)
        elif op == '/':
            operands.append(left / right)

    def get_val(self, a, base):
        if a == '+' or a == '-':
            if base == maxint:
                return base
            return 1 + base
        if a == '*' or a == '/':
            if base == maxint:
                return base
            return 2 + base
        return maxint

    def create_tree(self, expression):
        stack = []
        base = 0
        for i in range(len(expression)):
            if expression[i] == '(':
                if base != maxint:
                    base += 10
                continue
            elif expression[i]== ')':
                if base != maxint:
                    base -= 10
                continue
            val = self.get_val(expression[i], base)

            node = MyTreeNode(val, expression[i])
            while stack and val <= stack[-1].val:
                node.left = stack.pop()
            if stack:
                stack[-1].right = node
            stack.append(node)
        if not stack:
            return None
        return stack[0]

    def postOrder(self, node, exp):
        if not node:
            return
        self.postOrder(node.left, exp)
        self.postOrder(node.right, exp)
        exp.append(node.s)

    def oneStepCalculate(self, s):
        if not s:
            return 0
        exp = self.convert(s)
        n = self.build(exp)
        return self.calculate(n) 

if __name__ == "__main__":
print(ExpressionTree().oneStepCalculate("3/5+1.4*6"))
print(ExpressionTree().oneStepCalculate("1+(2*(4-6))"))
print(ExpressionTree().oneStepCalculate("5/(2+(3*(4/3)))"))
print(ExpressionTree().oneStepCalculate("1/(2+3)+(5+(6-8))"))
print(ExpressionTree().oneStepCalculate("1"))
print(ExpressionTree().oneStepCalculate("1+1"))
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