mathematical-expression 实现数学表达式解析 Java 篇

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使用 ME（ mathematical-expression）数学表达式解析库实现Java中数学表达式的解析和计算。

mathematical-expression 实现数学表达式解析 Java 篇
- 目录
- mathematical-expression 介绍
- - 获取到 ME 组件
  - - Maven依赖坐标
    - Gradle 依赖坐标
    - ME 组件存储库
  - ME 组件结构
  - - 无括号数学表达式计算组件
    - 有括号的数学表达式计算
    - 比较运算表达式
    - 函数计算表达式
    - 多参函数计算组件
  - 高阶操作
  - - 数学方式的函数注册与计算
    - 匿名实现的函数注册于计算

mathematical-expression 介绍

在计算机中，本身并不存在数学表达式的概念，数学表达式其本身是在人类世界中对于逻辑的一种总结规范，计算机并不了解这些公式中的符号，因此对于数学表达式也需要一个编译器，就像编程语言到机器码之间的编译器一样，mathematical-expression 是一种针对数学公式解析的有效工具，能够解析包含嵌套函数，包含函数，数列步长累加等数学公式，返回值是一个数值的结果对象，同时也可以进行比较运算的操作，再进行比较的时候，返回值是一个布尔值结果对象。

获取到 ME 组件

ME 组件的获取有诸多方式，接下来您可以根据需求选择您需要的方式来实现 ME 组件的获取与装载。

PS 请尽量使用 1.3.1 版本以及以上的版本，这将有助于您使用更加稳定的版本，修复了 1.2.x 版本中所有已知的bug

Maven依赖坐标

您可以直接使用maven将本框架导入到项目中使用，能够高效的使用该功能

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>io.github.BeardedManZhao</groupId>
        <artifactId>mathematical-expression</artifactId>
        <version>1.3.1</version>
    </dependency>
</dependencies>

Gradle 依赖坐标

您也可以直接通过gradle将“mathematical-expression”载入到您的框架中，使用下面的依赖即可。

dependencies {
    implementation 'io.github.BeardedManZhao:mathematical-expression:1.3.1'
}

ME 组件存储库

您还可以在 ME 组件存储库历史存档馆中获取到您需要的版本对应的所有资源。

ME 组件结构

ME 组件主要由三个部分组成，分别是数据存储对象，以及，解析与计算对象，还有计算管理者，他们分别负责不同的任务和位置，共同配合，实现强大的计算操作。

Created with Rapha?l 2.3.0

数学表达式

从管理者获取到计算组件

检查表达式

检查是否通过?

是否能够支持这类数学表达式的解析?

是否实现共享池?

计算操作正常？

封装计算结果与计算信息

计算完毕，封装结果

发生异常

解析是否通过?

yes

no

yes

no

yes

no

yes

no

yes

no

接下来我们将进行实际的演示，讲述如何在 Java 中快速且方便的处理数学表达式。

无括号数学表达式计算组件

此组件顾名思义，就是用于没有括号的数学表达式的解析和计算中，此计算组件是所有计算组件的祖先，具有更简单的结构以及计算性能

Created with Rapha?l 2.3.0

开始计算

是否提取完毕

结果汇总

提取操作数

提取运算符

是否为高优先级

计算临时结果

临时存储

yes

no

yes

no

但面对复杂的计算表达式，此计算组件将无法体现出其灵活性，下面是有关该表达式的一个操作示例。

public class MAIN {

    public static void main(String[] args) {
        // 准备一个数学表达式
        String s1 = "1 + 20 * 2 + 4";
        // 获取到无括号数学表达式
        final Calculation instance = Mathematical_Expression.getInstance(Mathematical_Expression.prefixExpressionOperation);
        // 开始进行检查
        try {
            instance.check(s1);
            // 如果没有异常就直接进行计算
            final CalculationNumberResults calculation = (CalculationNumberResults) instance.calculation(s1);
            // 打印结果
            System.out.println(calculation.getResult());
        } catch (WrongFormat e) {
            System.out.println("表达式错误，原因: " + e);
        }
    }
}

最终计算结果

45.0

进程已结束,退出代码0

有括号的数学表达式计算

带有括号的数学计算表达式，是最常用的一种计算组件，其能够实现有效的数学表达式优先级计算操作，计算的复杂度也不会太高，下面就是结果

Created with Rapha?l 2.3.0

开始计算

是否包含括号

提取子表达式

无括号表达式计算 1or2 级计算

结果汇总

数值结果封装

yes

no

在库中诸多的计算组件都是基于此组件进行拓展的，下面就是一个使用示例。

public class MAIN {

    public static void main(String[] args) {
        // 准备一个数学表达式
        String s1 = "1 + 20 * (2 + 4)";
        // 获取到有括号数学表达式
        final Calculation instance = Mathematical_Expression.getInstance(Mathematical_Expression.bracketsCalculation2);
        // 开始进行检查
        try {
            instance.check(s1);
            // 如果没有异常就直接进行计算
            final CalculationNumberResults calculation = (CalculationNumberResults) instance.calculation(s1);
            // 打印结果
            System.out.println(calculation.getResult());
        } catch (WrongFormat e) {
            System.out.println("表达式错误，原因: " + e);
        }
    }
}

最终计算结果

121.0

进程已结束,退出代码0

比较运算表达式

基于有括号计算组件的一种拓展，在这里我们可以针对两个数学表达式进行比较，在这里的比较操作中，能够实现有效的比较运算，返回值是布尔类型的结果对象，它的计算过程如下所示。

Created with Rapha?l 2.3.0

开始计算

左右解析（yes代表左）

获取左边表达式

有括号表达式计算 N级计算

布尔比较计算 N+1级计算

获取右边表达式

yes

no

public class MAIN {

    public static void main(String[] args) throws WrongFormat {
        // 获取一个计算数学比较表达式的组件
        final Calculation instance = Mathematical_Expression.getInstance(Mathematical_Expression.booleanCalculation2);
        // 创建3个表达式
        String s1 = "1 + 2 + 4 * (10 - 3)";
        String s2 = "2 + 30 + (2 * 3) - 1";
        String s3 = "1 + 3 * 10";
        extracted(instance, s1 + " > " + s2);// false	
        extracted(instance, s1 + " < " + s2);// true	
        extracted(instance, s1 + " = " + s3);// true	
        extracted(instance, s1 + " == " + s3);// true	
        extracted(instance, s1 + " != " + s3);// false	
        extracted(instance, s1 + " <> " + s3);// false	
        extracted(instance, s1 + " <= " + s3);// true	
        extracted(instance, s1 + " >= " + s3);// true	
        extracted(instance, s1 + " != " + s2);// true	
        extracted(instance, s1 + " <> " + s2);// true	
    }

    private static void extracted(Calculation booleanCalculation2, String s) throws WrongFormat {
        // 检查表达式是否有错误
        booleanCalculation2.check(s);
        // 开始计算结果
        CalculationBooleanResults calculation = (CalculationBooleanResults) booleanCalculation2.calculation(s);
        // 打印结果数值
        System.out.println(
                "计算层数：" + calculation.getResultLayers() + "	计算结果：" + calculation.getResult() +
                        "	计算来源：" + calculation.getCalculationSourceName()
        );
    }
}

下面就是计算结果，可以看到这里返回的结果是一个布尔类型的结果对象

计算层数：4	计算结果：false	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：4	计算结果：true	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：3	计算结果：true	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：3	计算结果：true	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：3	计算结果：false	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：3	计算结果：false	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：3	计算结果：true	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：3	计算结果：true	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：4	计算结果：true	计算来源：booleanCalculation2
计算层数：4	计算结果：true	计算来源：booleanCalculation2

进程已结束,退出代码0

函数计算表达式

在 ME 库中，允许使用一些函数来进行计算操作，数学表达式中的函数在这里也可以实现，通过自定义实现函数的方式，能够封装计算逻辑，且有效的提升灵活性，其计算复杂度并不高，也是比较常用的计算组件。

Created with Rapha?l 2.3.0

开始计算

提取函数

函数是否存在

提取函数形参

有括号表达式计算 N级计算

计算结果传递

函数内部计算

结果存储

函数是否提取完毕

有括号表达式计算结果汇总

发生异常

yes

no

yes

no

接下来就是相关的使用演示！！！

public class MAIN {
    public static void main(String[] args) throws WrongFormat {
        // 实例化一个函数 名为DoubleValue 用于将一个数值乘2
        ManyToOneNumberFunction myFunction = new ManyToOneNumberFunction("DoubleValue") {
            @Override
            public double run(double... numbers) {
                // 在这里的参数中，第一个参数就是被FunctionFormulaCalculation所传入的参数
                return numbers[0] * 2;
            }
        };
        // 将函数注册到管理者中
        CalculationManagement.register(myFunction);
        // 获取一个计算累加数学表达式的组件
        FunctionFormulaCalculation functionFormulaCalculation = FunctionFormulaCalculation.getInstance("zhao");
        // 构建一个数学表达式，表达式中使用到了函数 DoubleValue
        String s = "2 * DoubleValue(2 + 3) + 1";
        // 检查数学表达式
        functionFormulaCalculation.check(s);
        // 计算结果
        CalculationNumberResults calculation = functionFormulaCalculation.calculation(s);
        System.out.println(
                "计算层数："+calculation.getResultLayers()+"	计算结果："+calculation.getResult()+
                        "	计算来源："+calculation.getCalculationSourceName()
        );
    }
}

在这里就是相关的计算结果

计算层数：1	计算结果：21.0	计算来源：BracketsCalculation2

进程已结束,退出代码0

多参函数计算组件

从 ME 库 1.1 版本开始针对函数数学表达式的计算将不再限制于只能传递一个参数，而是可以传递无数个参数，每个参数会在函数中以函数形参的格式进入到函数对象并进行计算，接下来就是相关的实际演示。

public class MAIN {
    public static void main(String[] args) throws WrongFormat {
        // 实现一个sum函数 用于将数值求和
        ManyToOneNumberFunction manyToOneNumberFunction = new ManyToOneNumberFunction("sum") {
            @Override
            public double run(double... numbers) {
                double res = 0;
                for (double number : numbers) {
                    res += number;
                }
                System.out.println("调用函数 sum(" + Arrays.toString(numbers) + ") = " + res);
                return res;
            }
        };
        // 将该函数注册到管理者
        CalculationManagement.register(manyToOneNumberFunction);
        // 获取到新版本中的多参数学表达式解析组件
        Calculation functionFormulaCalculation = Mathematical_Expression.getInstance(
                Mathematical_Expression.functionFormulaCalculation2
        );
        // 构建一个数学表达式，表达式中使用到了函数 sum
        String s = "2 * sum(2 + 3, 1 + 20, 10 + (1 - 2)) + 1";
        // 检查数学表达式
        functionFormulaCalculation.check(s);
        // 计算结果
        CalculationNumberResults calculation = (CalculationNumberResults) functionFormulaCalculation.calculation(s);
        System.out.println(
                "计算层数："+calculation.getResultLayers()+"	计算结果："+calculation.getResult()+
                        "	计算来源："+calculation.getCalculationSourceName()
        );
    }
}

在这里就是相关的计算结果

调用函数 sum([5.0, 21.0, 9.0]) = 35.0
计算层数：1	计算结果：71.0	计算来源：BracketsCalculation2

进程已结束,退出代码0

高阶操作

数学方式的函数注册与计算

package top.lingyuzhao;

import core.Mathematical_Expression;
import core.calculation.Calculation;
import core.calculation.function.FunctionPackage;
import exceptional.WrongFormat;

public class MAIN {

    public static void main(String[] args) throws WrongFormat {
    	// 将 f 函数注册进来
        Mathematical_Expression.register_function("f(x) = x * x");
        // 准备要计算的表达式
        final String data = "1 + f(20) + 3";
        // 获取到计算组件
        final Calculation instance = Mathematical_Expression.getInstance(Mathematical_Expression.functionFormulaCalculation2);
        // 检查与计算
        instance.check(data);
        System.out.println(instance.calculation(data));
    }
}

下面就是计算结果

CalculationNumberResults{result=404.0, source='BracketsCalculation2'}

匿名实现的函数注册于计算

package top.lingyuzhao;

import core.Mathematical_Expression;
import core.calculation.Calculation;
import core.calculation.function.FunctionPackage;
import core.calculation.function.ManyToOneNumberFunction;
import exceptional.WrongFormat;

public class MAIN {

    public static void main(String[] args) throws WrongFormat {
        // 将 f 函数注册进来
        Mathematical_Expression.register_function(new ManyToOneNumberFunction("f") {
            @Override
            public double run(double... numbers) {
                return 1 + numbers[0] * numbers[0] + 3;
            }
        });
        // 准备要计算的表达式
        final String data = "1 + f(20) + 3";
        // 获取到计算组件
        final Calculation instance = Mathematical_Expression.getInstance(Mathematical_Expression.functionFormulaCalculation2);
        // 检查与计算
        instance.check(data);
        System.out.println(instance.calculation(data));
    }
}

下面就是计算结果

CalculationNumberResults{result=408.0, source='BracketsCalculation2'}

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