150.逆波兰表达式求值

150.逆波兰表达式求值

题目叙述

根据逆波兰表示法(Reverse Polish Notation,RPN),求表达式的值。有效的算符包括 +-*/ 。每个运算对象可以是整数,也可以是另一个逆波兰表达式。

注意

  • 两个整数之间的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: tokens = ["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: tokens = ["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: tokens = ["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:
  ((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
模式识别

本题适合使用栈来解决。逆波兰表达式的特点是运算符紧跟在操作数之后,当遇到运算符时,需要对之前的操作数进行相应运算。栈的后进先出(LIFO)特性与逆波兰表达式的计算逻辑相契合,在遇到运算符时,可从栈中取出最近的操作数进行计算。

考点分析
  • 栈的应用:理解栈的基本操作(入栈、出栈),并运用栈来处理逆波兰表达式的计算。
  • 字符串处理:将输入的字符串数组中的元素转换为数字或识别为运算符。
  • 算术运算处理:实现不同运算符的算术运算,注意整数除法的截断规则。
所有解法
  • 栈解法:使用栈来存储操作数,遇到运算符时从栈中取出操作数进行计算,再将结果压入栈中。这是解决逆波兰表达式求值的标准方法。
  • 递归解法:可以将逆波兰表达式看作是一种递归结构,但实现相对复杂,且空间复杂度较高,一般不采用。
C 语言最优解法代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 计算逆波兰表达式的值
int evalRPN(char **tokens, int tokensSize) {
    // 创建一个栈,大小为 tokensSize,因为最多会有 tokensSize 个操作数入栈
    int *stack = (int *)malloc(tokensSize * sizeof(int));
    // 栈顶指针,初始化为 -1 表示栈为空
    int top = -1;

    for (int i = 0; i < tokensSize; i++) {
        // 如果当前元素是运算符
        if (strcmp(tokens[i], "+") == 0 || strcmp(tokens[i], "-") == 0 ||
            strcmp(tokens[i], "*") == 0 || strcmp(tokens[i], "/") == 0) {
            // 从栈中取出两个操作数
            int num2 = stack[top--];  // 第二个操作数
            int num1 = stack[top--];  // 第一个操作数

            // 根据不同的运算符进行相应的计算
            if (strcmp(tokens[i], "+") == 0) {
                stack[++top] = num1 + num2;  // 加法运算
            } else if (strcmp(tokens[i], "-") == 0) {
                stack[++top] = num1 - num2;  // 减法运算
            } else if (strcmp(tokens[i], "*") == 0) {
                stack[++top] = num1 * num2;  // 乘法运算
            } else if (strcmp(tokens[i], "/") == 0) {
                stack[++top] = num1 / num2;  // 除法运算
            }
        } else {
            // 如果当前元素是操作数,将其转换为整数并压入栈中
            stack[++top] = atoi(tokens[i]);
        }
    }

    // 最终栈顶元素即为表达式的结果
    int result = stack[top];
    // 释放栈的内存
    free(stack);
    return result;
}

复杂度分析
  • 时间复杂度 O ( n ) O(n) O(n),其中 n n ntokens 数组的长度。需要遍历数组中的每个元素一次,每个元素的操作(入栈、出栈、计算)都是常数时间复杂度。
  • 空间复杂度 O ( n ) O(n) O(n),主要是栈的空间开销,最坏情况下栈需要存储所有的操作数,即栈的最大深度为 n n n
### 逆波兰表达式求值方法 在 Python 中,可以通过栈(Stack)数据结构来高效地实现逆波兰表达式求值。以下是具体的实现方式以及代码示例。 #### 使用栈解决逆波兰表达式求值 当遇到一个数值时,将其压入栈中;如果遇到运算符,则弹出栈顶的两个元素作为操作数,并执行相应的运算后再将结果重新压回栈中。最终,栈中的唯一剩余项即为整个表达式的计算结果[^1]。 下面提供了一个完整的函数用于计算逆波兰表达式的值: ```python def evalRPN(tokens): stack = [] operators = {'+', '-', '*', '/'} for token in tokens: if token not in operators: # 如果当前token不是运算符,则将其转换成整数并加入栈中 stack.append(int(token)) else: # 当前token是运算符,取出栈顶的两个元素进行相应运算 b = stack.pop() a = stack.pop() if token == '+': result = a + b elif token == '-': result = a - b elif token == '*': result = a * b elif token == '/': # 向零取整的除法 result = int(a / b) stack.append(result) return stack[0] # 测试用例 tokens = ["4", "13", "5", "/", "+"] print(evalRPN(tokens)) # 输出应为 6 ``` 上述代码实现了逆波兰表达式的求解过程[^2]。特别需要注意的是,在处理 `/` 运算符时,Python 的浮点数除法会返回带有小数的结果,因此需要用 `int()` 函数强制转为整型以满足题目需求[^3]。 此外,还可以通过内置函数 `eval()` 来简化部分逻辑,不过这种方法可能带来安全风险并不推荐实际应用中广泛采用[^4]: ```python def evalRPN_with_eval(tokens): stack = [] for t in tokens: if t.lstrip('-').isdigit(): stack.append(t) else: b, a = stack.pop(), stack.pop() stack.append(str(int(eval(f"{a}{t}{b}")))) return int(stack[0]) # 测试用例 tokens = ["4", "13", "5", "/", "+"] print(evalRPN_with_eval(tokens)) # 输出应为 6 ``` 尽管如此,出于性能优化与安全性考量,建议优先选用手动控制四则运算的方式而非依赖于字符串评估工具[^5]。
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