Реалізація основної функції калькулятора - обчислення виразів - за допомогою Java-класів

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕАЛІЗАЦІЯ ОСНОВНОЇ ФУНКЦІЇ КАЛЬКУЛЯТОРА - ОБЧИСЛЕННЯ ВИРАЗІВ - ЗА ДОПОМОГОЮ JAVA-КЛАСІВ

Пех П.А., Корець Р.С.

Луцький національний технічний університет



Пех П.А., Корець Р.С.

Реалізація основної функції калькулятора - обчислення виразів - за допомогою Java- класів. В статті запропоновано один із можливих шляхів реалізації основної функції калькулятора - обчислення виразів - за допомогою Java-класів. Наведені програмні коди запропонованих класів.

Ключові слова: Java-клас, калькулятор, обчислення виразів, функція класу, типи даних



Пех Петр Антонович, Корец Роман Сергеевич. Реализация основной функции калькулятора - вычисление выражений - с помощью Java-классов. В статье предложен один из возможных путей реализации основной функции калькулятора - вычисление выражений - с помощью Java-классов. Приведены программные коды предложенных классов.

Ключевые слова: Java-класс, калькулятор, вычисление выражений, функция класса, типы данных



Pekh Petro, Korets Roman. Implementation of the calculator basic function - the calculation of expressions - by means of Java classes. In the article is considered one of the possible ways of realizing the calculator basic function - the calculation of expressions - by means of Java classes. The program codes of the proposed classes are given.

Keywords: Java class, calculator, calculation of expressions, function of class, data types



Постановка задачі. Загальновідомо, що сучасний калькулятор повинен:

— виконувати базові арифметичні операції, а саме - додавання, віднімання, множення та ділення, що містяться в обчислюваному виразі;

— обчислювати математичні функції;

— будувати графіки функцій, заданих арифметичними виразами та, можливо, мати інші функції.

У даній статті розглядається лише питання обчислення арифметичних виразів. Звичайно, калькулятор повинен обчислювати вираз у правильному порядку з урахуванням пріоритету операцій: у першу чергу обчислювати вирази в дужках, далі виконувати операції ділення та множення, а потім

— операції додавання та віднімання.

Метою дослідження було розроблення засобами мови Java класів для реалізації основної функції калькулятора - обчислення виразів.

Новизна дослідження полягає у підході до вирішення проблеми з позицій об'єктно- орієнтованого програмування [1,2].

Основна частина. Оскільки калькулятор призначений для обчислення складних виразів, що передбачають використання дужок, то необхідно створити клас QuoteAnalyser, який реалізує функцію роботи з ними. Перш за все необхідно створити функцію, яка визначає і повертає позиції дужок, в межах яких потрібно проводити обчислення. Оскільки введений користувачем вираз буде мати стрічковий тип String, то для вирішення даної задачі зручно скористатись регулярними виразами.

Далі наведено реалізацію функції

арифметичний калькулятор графік індекс

getCoupleOfQoutes () класу QuoteAnalyser, що повертає пару дужок, в межах яких будуть проводитись обчислення. static int[] getCouplesOfQuotes(String Example)]

Pattern pattern = Pattern.compile("\\([0-9a-zA-Z\\-*/![^A()]]*\\)"); Matcher matcher = pattern.matcher(Example); int BeginOfExpression; int EndOfExpression; int[] Quotes = new int[2]; if(matcher.find()){

String Expression = matcher.group(0);

BeginOfExpression = Example.indexOf(Expression);

EndOfExpression = BeginOfExpression + Expression.length() - 1;

} else return null;

Quotes[0] = BeginOfExpression;

Quotes[1] = EndOfExpression; return Quotes;

}

Дана функція приймає введений користувачем вираз, тобто об'єкт типу String. У самій функції створюється шаблон \\([0-9a-zA-Z\\-+*/! [^Л () ]] *\\), що відповідає будь якому виразу, на початку якого стоїть відкриваюча дужка, а в кінці - закриваюча. У середині цього виразу мають бути відсутні інші дужки. Для прикладу, даний шаблон відповідає виразам виду (21+34), (321+3*3.2/5-5 ), (-10+50!), але не відповідає виразам виду ( (2+3 )/5 ),(90*(9-5)/(60+17+13)).

Далі створюються допоміжні змінні та масив типу int, який буде містити в собі значення індексу позиції дужки, що відкривається, та значення індексу позиції дужки, що закривається. Перший знайдений вираз, який відповідає описаному вище шаблону, поміщається в окрему змінну типу String. Далі за допомогою функції indexOf() знаходимо індекс початку виразу, що не містить внутрішніх дужок, у виразі, введеному користувачем. Індекс кінця виразу знаходимо, додавши довжину знайденого виразу до індексу початку, після чого поміщаємо значення індексів у масив. Якщо виразів, що відповідають шаблону, не знайдено, то функція повертає значення Null. Таким чином, дана функція повертає початкову та кінцеву позиції дужок у виразі, в межах яких на даному етапі необхідно провести обчислення.

Для того, щоб у подальшому спростити розробку, було створено ще декілька допоміжних функцій, а саме - функції, які повертають кількість лівих та правих дужок, загальну кількість дужок, та функцію, яка перевіряє, чи кількість лівих і правих дужок співпадає. Нижче представлена реалізація цих функцій:

static boolean CheckQuotes (String Example){

if((QuoteAnalyser.getNumberOfQuotes(Example) & 1)!= 0){

return false;

}

int count left quotes = 0; int count right quotes = 0;

for (int i = 0 ; i< Example.length(); i++){ if (Example.charAt(i) == '('){ count left quotes++;

}

if (Example.charAt(i) == ')'){ count right quotes++;

}

}

return count left quotes == count right quotes;

}

static int getNumberOfLeftQuotes (String Example){ int count left quotes = 0;

for (int i = 0 ; i< Example.length(); i++){ if (Example.charAt(i) == '('){ count left quotes++;

}

}

return count left quotes;

}

static int getNumberOfRightQuotes (String Example){ int count right quotes = 0;

for (int i = 0 ; i< Example.length(); i++){ if (Example.charAt(i) == ')'){ count right quotes++;

}

}

return count right quotes;

}

static int getNumberOfQuotes(String Example){ int count left quotes = 0; int count right quotes = 0;

for (int i = 0 ; i< Example.length(); i++){ if (Example.charAt(i) == '('){

count left quotes++;

}

if (Example.charAt(i) == ')'){ count right quotes++;

}

}

return count left quotes + count right quotes;

// Return general count of quotes

}

Зауважимо, що всі функції даного класу є статичними, оскільки немає необхідності створювати екземпляри класу.

Наступним кроком реалізації основної функції калькулятора є написання класу Reader. Цей клас буде зчитувати операнди та арифметичні операції всередині дужок, які повертає функція QuoteAnalyser. getCouplesOf Quotes (), та поверетати їх список. Нижче наведена реалізація функції зчитування арифметичних знаків.

static List<Character>readSigns(String Example, int Begin, int End){ List<Character> Signs = new ArrayList<>();

String SubExample = Example.substring(Begin, End);

Pattern pattern = Pattern.compile(".[+*\\-/]");

Matcher matcher = pattern.matcher(SubExample); while (matcher.find()) {

String Sign = matcher.group(); if (Character.isDigit(Sign.charAt(0))) {

Signs.add(Sign.charAt(1));

}

}

return Signs;

}

Дана функція приймає введений користувачем вираз, і ще дві змінні типу int, які відповідають індексам початку і кінця дужок, та повертає об'єкт типу List. Створюється список типу Character, далі створюється допоміжна змінна SubExample, що буде зберігати вираз, який відповідає шаблону. Далі створено шаблон. [+*\\-/], якому відповідають два символи: будь-який символ та знак арифметичної операції. У циклі перевіряється, чи перший символ є цифрою. Якщо так, то арифметичний знак додається у список. Нижче представлена функція зчитування операндів.

static List<Double> readNumbers(String Example, int Begin, int End){

List <Double> Numbers = new ArrayList<>();

String SubExample = Example.substring(Begin, End);

Pattern pattern = Pattern.compile("(([(+\\-*/^Л]\\-)?)[0-9]+(\\.([0- 9])*)?(E[ + \\-]?[0-9]+)?"); // Symbols at 0 and 1 indexes may be [+--*/] Matcher matcher = pattern.matcher(SubExample); while(matcher.find()){

String Number = matcher.group(); if (Number.length() == 1){

Numbers.add(Double.parseDouble(Number));

}

else if (Character.isDigit(Number.charAt(1)) || Number.charAt(l) == '.') {

Numbers.add(Double.parseDouble(Number));

} else {

char[] str = Number.toCharArray(); str[0] = '';

Number = new String(str);

Numbers.add(Double.parseDouble(Number));

}

}

return Numbers;

}



Дана функція приймає ті ж дані що й попередня функція, та повертає об'єкт типу List що містить у собі всі операнди в межах Begin-End. В середині функції створюється шаблон (([(+\\-*/^Л]\\-)?) [0-9] + (\\. ([0-9])*)?(E[+\\-]? [0-9]+)?, що представляє собою будь-яке число, а також перші два символи перед ним, які можуть бути присутніми, або бути не присутніми. Якщо знайдена стрічка має довжину 1, або символ під індексом 1 є цифрою чи крапкою, то стрічка конвертується у тип double, і додається у список. В іншому випадку із стрічки видаляється перший символ, конвертується в тип double, після чого додається у список.

Під час зчитування знаків та операндів з'являється проблема зі знаком '-', оскільки потрібно визначити, чи потрібно додавати цей знак у список, чи присвоїти цей знак операнду. Тому було вирішено зчитувати у список знаків лише ті знаки '-', які знаходяться безпосередньо після символу, що представляє собою цифру. Функції даного класу розроблені, виходячи з того, щоб калькулятор міг правильно зчитувати вирази з від'ємними числами, такі як: (-5 + 10/-2). У даному випадку список арифметичних знаківбуде [ + ; / ], асписок операндів [-5, 10 ; -2].

Наступним важливим кроком є розробка класу BasicCalculator. До складу цього класу входить допоміжня функція String substitutestring, за допомогою якої можна замінювати будь-яку частину стрічки будь-якою іншою стрічкою:

static String substituteString(String Example, int Begin, int End, String Result) {

int LengthOfNewString = Example.length(); int ChangeOfLenght = (End - Begin) + 1;

LengthOfNewString -= ChangeOfLenght; int count = 0;

String StringOfDouble = Result;

ChangeOfLenght = StringOfDouble.length();

LengthOfNewString += ChangeOfLenght; int j = 0;

char[] NewExample = new char[LengthOfNewString]; for (int i = 0; i < Example.length(); i++){

if (i == Begin) {

while (count != StringOfDouble.length()) {

NewExample[i] = StringOfDouble.charAt(count); count++;

i++;

}

j = i; i = End;

} else if (i > End) {

NewExample[j] = Example.charAt(i); ^j++^;

} else NewExample[i] = Example.charAt(i);

}

return new String(NewExample);

}

Параметрами даної функції є два об'єкти типу String та дві змінні типу int. Перший об'єкт типу String є введений користувачем вираз, а другий об'єкт такого ж типу є стрічкою, яку необхідно вставити. Параметри типу int є початком і кінецем вставки. На початку функція обчислює довжину стрічки-результату шляхом віднімання різниці End та Begin від початкової довжини стрічки, та додавання довжини стрічки, яка вставляється. Далі в стрічку-результат вставляються всі символи старої стрічки з індексом, меншим від Begin, після чого вставляються символи стрічки Result. Далі вставляються ті символи зі старої стрічки, що мають індекс більший за End.

Для зручності було створено ще одну функцію, яка обгортає вираз користувача в дужки:

private static String prepareExample (String Example){

char[] PreparedExample = new char[Example.length() + 2]; PreparedExample[0] = '(';

PreparedExample[PreparedExample.length - 1] = ')'; for (int i = 1; i < PreparedExample.length - 1; i++){

PreparedExample[i] = Example.charAt(i - 1);

}

Example = new String(PreparedExample); return Example;

}

Далі було створено головну функцію Calculate (String Example), яка буде використовувати всі вище описані функції для обчислення виразу. Нижче наведена її реалізація:

static String Calculate(String Example) { double ResultOfOperation = 0.0;

Example = prepareExample(Example); int[] Quotes;

List<Double> Numbers;

List<Character> Signs; int i = 0;

int NumberOfCycles = QuoteAnalyser.getNumberOfQuotes(Example) / 2; while(NumberOfCycles != 0){

Example = Example.replaceAll("\\-\\-", "+");

Quotes = QuoteAnalyser.getCouplesOfQuotes(Example);

Signs = Reader.readSigns(Example, Quotes[i], Quotes[i + 1]); Numbers = Reader.readNumbers(Example, Quotes[i], Quotes[i + 1]); if (!Signs.isEmpty()) {

for (int j = 0; j < Signs.size(); j++){

if (Signs.get(j) == '*'){

ResultOfOperation = Numbers.get(j) * Numbers.get(j +

1);

Numbers.remove(j);

Numbers.remove(j);

Numbers.add(j, ResultOfOperation);

Signs.remove(j); ^j--;

} else if (Signs.get(j) == '/'){

ResultOfOperation = Numbers.get(j) / Numbers.get(j +

1);

Numbers.remove(j);

Numbers.remove(j);

Numbers.add(j, ResultOfOperation);

Signs.remove(j); ^j--;

}

}

for (int j = 0; j < Signs.size(); j++){

if (Signs.get(j) == '+'){

ResultOfOperation = Numbers.get(j) + Numbers.get(j +

1);

Numbers.remove(j);

Numbers.remove(j);

Numbers.add(j, ResultOfOperation);

Signs.remove(j); ^j--;

} else if (Signs.get(j) == '-'){

ResultOfOperation = Numbers.get(j) - Numbers.get(j +

1);

Numbers.remove(j);

Numbers.remove(j);

Numbers.add(j, ResultOfOperation);

Signs.remove(j); ^j--;

}

}

Example = substituteString(Example, Quotes[i], Quotes[i + 1], String.valueOf(ResultOfOperation));

NumberOfCycles--;

}

else {

Example = substituteString(Example, Quotes[i], Quotes[i + 1], String.valueOf(Numbers.get(0)));

NumberOfCycles--;

}

}

return Example;

}

Дана функція приймає лише один параметр, а саме - об'єкт типу String, що є виразом користувача. У цій функції спочатку створюється два порожніх об'єкти Numbers та Signs типу List з реалізацією ArrayList. Після чого знаходиться кількість ітерацій, необхідних для обчислення виразу. Вона дорівнює кількості пар дужок у виразі. Далі за допомогою функції QuoteAnalyser. getCoupleOfQoutes () у циклі знаходяться пара дужок, всередині яких відсутні інші пари дужок. Звідси і починаються обчислення. Наступним кроком є обчислення вмісту дужок. Кожна ітерація передбачає виконання таких кроків:

— Пошук чисел та додавання їх у список Numbers за допомогою методу Reader.readNumbers().

— Пошук знаків та додавання їх у список Signs за допомогою методу Reader. readSigns().

— Виконання множення та ділення у виразі шляхом знаходження індексу j відповідного знаку у списку(* або /), та виконання відповідної дії (множення чи ділення) над операндом, що має той самий індекс j, та операндом з індексом j + 1. Далі зі списку Signs видаляється знак з індексом j, а зі списку Numbers видаляються операнди з індексом j та j + 1.

— Виконання додавання та віднімання у виразі шляхом знаходження індексу j відповідного знаку у списку(+ або -), та виконання відповідної дії (додавання чи віднімання) над операндом, що має той самий індекс j та операндом з індексом j+1. Далі зі списку Signs видаляється знак з індексом j, а зі списку Numbers видаляються операнди з індексом j та j+1.

— Перевірка списку Signs: якщо список порожній, то у списку Numbers залишилось одне число, яке і є результатом обчислень виразу в дужках.

Знайдений результат обчислення виразу, що знаходився в дужках, замінює весь вираз, що був в дужках, за допомогою допоміжної функції substituteString ().

Нижче наведено вигляд стрічки, списків арифметичних знаків та операндів для виразу (- 9+15/(16*-3)+(10+5*2) ) після кожної ітерації:

Таблиця 1 - Покрокова робота функції BasicCalculator. Calculate( )

Номер ітерації	Загальний вигляд виразу	Обчислювана частина виразу	Арифметичні знаки	Операнди
1	(-9+15/(16*-3)+( 10+5*2))	(16*-3)	[*]	[16;-3]
2	(-9+15/-48+( 10+5*2))	(10+5*2)	[+; *]	[10;5;2]
3	(-9+15/-48+20)	(-9+15/-48+20)	[+;/;+]	[-9;15;-48;20]
4	10.6875	-	-	[10.6875]

В статті запропоновано один із можливих шляхів реалізації основної функції калькулятора - обчислення виразів - за допомогою Java-клaciв. Проблема вирішується з позицій об'єктно-орієнтованого програмування Наведені програмні коди запропонованих класів.



Література

1. Герберт Шилдт. Java. Полное руководство, 10-е издание = Java. The Complete Reference, 10th Edition. -- M.: «Диалектика», 2018. -- 1488 c. -- ISBN 978-5-6040043-6-4.

2. Кей С. Хорстманн. Java SE 9. Базовый курс = Core Java SE 9 for the Impatient. -- M.: «Вильямс», 2018. -- 576 c. -- ISBN 978-5-6040043-0-2, 978-0-13-469472-6.

Размещено на Allbest.ru

...