仿查询分析器的C#计算器——2.记号对象

ゞ浴缸里的玫瑰 2021-12-22 16:19 185阅读 0赞

上一篇地址：[http://www.cnblogs.com/conexpress/archive/2009/03/04/MyCalculator\_01.html][http_www.cnblogs.com_conexpress_archive_2009_03_04_MyCalculator_01.html]  
上一篇中提到了用树形结构来分析表达式并计算求值的思路。但对程序来说，输入的表达式只是一个字符串而已。要将表达式表示成树型结构，首先必须可以将表达式分解成一个个节点，然后才可以由节点组成树。这里将树上的每一个节点称之为记号对象TokenRecord。

根据上面的分析得出，记号对象要求有一个存储自身值的变量，有自己特定的计算方法，还要能知道其下级的值。由此可以得出TokenRecord的基本信息（略去非关键信息）：  
属性  
Index：在表达式中的列号，int类型，出错时用于指示错误所在，从1开始。  
Priority：优先级，int类型，在分析表达式的时候需要。  
TokenValue：记号值，object类型  
ChildList：下级列表，List对象，用来存储下级元素，实现树结构。  
方法  
Execute：执行该元素的操作，abstract方法。  
SetChildCount：设置下级数量，虚方法，用于检查下级数量合法性，在构造函数中调用。对应有一个m\_ChildCount字段，用于存储下级数量。因为检查下级属于元素内部的任务，所以将m\_ChildCount设置为protected，也没有对应的ChildCount属性。  
SetPriority：设置优先级，虚方法，在构造函数中调用。  
CheckChildCount：检查下级数量，在Execute中调用，保证表达式合法。  
  
其中TokenValue属性使用object类型是因为这里支持字符串、数值和逻辑值的运算。在最开始设计的时候，曾经采用过两个字段string和double类型来存储字符串和数值，逻辑值也用数值表示，后来改成object更简单了。  
  
TokenRecord类的代码如下：

![ContractedBlock.gif][] ![ExpandedBlockStart.gif][] Code 
///<summary> 
/// 记号对象 
///</summary> 
///<remarks>Author:Alex Leo;</remarks> 
publicabstractclass TokenRecord 
\{ 
\#region 属性和字段 
 
//下级个数 
protectedint m\_ChildCount; 
 
privateint m\_Index; 
///<summary> 
/// 列序号 
///</summary> 
publicint Index 
\{ 
get \{ return m\_Index; \} 
\} 
 
///<summary> 
/// 优先级，必须赋值 
///</summary> 
protectedint m\_Priority; 
///<summary> 
/// 优先级 
///</summary> 
///<returns></returns> 
publicint Priority 
\{ 
get \{ return m\_Priority; \} 
\} 
 
privateint m\_Length; 
///<summary> 
/// 操作符长度 
///</summary> 
publicint Length 
\{ 
get \{ return m\_Length; \} 
\} 
 
private Type m\_TokenValueType; 
///<summary> 
/// 记号值类型 
///</summary> 
public Type TokenValueType 
\{ 
get \{ return m\_TokenValueType; \} 
set \{ m\_TokenValueType = value; \} 
\} 
 
privateobject m\_TokenValue; 
///<summary> 
/// 记号值 
///</summary> 
publicobject TokenValue 
\{ 
get \{ return m\_TokenValue; \} 
set \{ m\_TokenValue = value; \} 
\} 
 
 
private List<TokenRecord> m\_ChildList =new List<TokenRecord>(); 
///<summary> 
/// 下级列表 
///</summary> 
public List<TokenRecord> ChildList 
\{ 
get \{ return m\_ChildList; \} 
\} 
 
\#endregion 
 
///<summary> 
/// 构造函数 
///</summary> 
///<param name="Index">序号</param> 
///<param name="Length">自身长度</param> 
public TokenRecord(int Index, int Length) 
\{ 
this.m\_Index = Index; 
this.m\_Length = Length; 
this.SetPriority(); 
this.SetChildCount(); 
\} 
 
 
\#region 方法 
 
///<summary> 
/// 重写ToString方法 
///</summary> 
///<returns></returns> 
publicoverridestring ToString() 
\{ 
//可以根据需要修改以显示不同的信息 
returnthis.GetType().Name \+"\_"\+ GetValueString() \+"\_"\+ TokenValueType.ToString(); 
\} 
 
///<summary> 
/// 获取值的字符串表示 
///</summary> 
///<returns></returns> 
publicstring GetValueString() 
\{ 
returnthis.TokenValue.ToString(); 
\} 
 
///<summary> 
/// 检查下级数量，必要时可以重写，因为有些Token的下级数量可以是一个区间 
///</summary> 
///<param name="ErrorInformation">下级数量不符时显示的错误信息</param> 
internalvoid CheckChildCount(string ErrorInformation) 
\{ 
if (this.m\_ChildList.Count !=this.m\_ChildCount) 
thrownew SyntaxException(this.m\_Index, this.m\_Length, ErrorInformation); 
\} 
 
\#region 必须重写的方法 
 
///<summary> 
/// 执行代码 
///</summary> 
publicabstractvoid Execute(); 
 
///<summary> 
/// 设置下级数量 
///</summary> 
protectedabstractvoid SetChildCount(); 
 
///<summary> 
/// 设置优先级 
///</summary> 
protectedabstractvoid SetPriority(); 
 
\#endregion 
 
 
\#endregion 
 
 
\#region 转换记号值类型 
 
///<summary> 
/// 将记号值转换为字符串类型 
///</summary> 
internalstring ChangeTokenToString() 
\{ 
string strValue; 
strValue = (string)(this.TokenValue =this.TokenValue.ToString()); 
this.TokenValueType =typeof(string); 
return strValue; 
\} 
 
///<summary> 
/// 将记号值转换为数字类型 
///</summary> 
///<param name="ErrorInformation">无法转换成数字时显示的错误信息</param> 
internaldouble ChangeTokenToDouble(string ErrorInformation) 
\{ 
double dblValue; 
if (this.TokenValueType !=typeof(double)) 
\{ 
if (double.TryParse(this.TokenValue.ToString(), out dblValue)) 
this.TokenValueType =typeof(double); 
else 
thrownew SyntaxException(this.m\_Index, this.m\_Length, ErrorInformation); 
\} 
else 
\{ 
dblValue = (double)this.TokenValue; 
\} 
return dblValue; 
\} 
 
///<summary> 
/// 将记号值转换为逻辑值 
///</summary> 
internalbool ChangeTokenToBoolean() 
\{ 
bool blnValue =false; 
if (this.TokenValueType ==typeof(string)) 
\{ 
switch (this.TokenValue.ToString().Trim().ToLower()) 
\{ 
case"true": 
blnValue = (bool)(this.TokenValue =true); 
break; 
case"false": 
case"": 
default: 
blnValue = (bool)(this.TokenValue =false); 
break; 
\} 
this.TokenValueType =typeof(bool); 
\} 
elseif (this.TokenValueType ==typeof(double)) 
\{ 
blnValue = (bool)((Convert.ToInt32(this.TokenValue) !=0) ? (this.TokenValue =true) : (this.TokenValue =false)); 
//检查上一行代码是否错误 
this.TokenValueType =typeof(bool); 
\} 
elseif (this.TokenValueType ==typeof(bool)) 
\{ 
blnValue = (bool)this.TokenValue; 
\} 
else 
\{ 
\} 
 
return blnValue; 
\} 
 
\#endregion 
 
\}//class TokenRecord

设计出基类TokenRecord后，其他记号类都可以从它继承，然后实现自己的特定计算方法即可。那么实际的表达式中有哪些类型的记号呢？经过分析得出，表达式中所包含的的操作元素无非这几种：关键字，运算符，字符串，数字。 
关键字：if，sin，cos，true，false，pi等以英文字母开头的词，其中可以包含数字或者其他允许的符号 
运算符：+，-，\*，/，\\，>，<，>=，<=，&&，||，！等，纯符号操作元素，可以由好几个字符组成 
字符串："hello"，'good'，"where's my book"等，由字符串标识符单引号或者双引号标识的字符串。字符串中允许包含当前字符串标识符之外另一种字符串标识符，即双引号字符串中可以包含单引号，单引号字符串中可以包含双引号，这一点和JavaScript类似。如果在字符串中包含当前标识符，则必须用连续两个标识符进行转义。 
数值：12，856，42.123，-62.45，允许包含小数点和负数。（本程序中对负数的处理在某些情况下会有错误，有兴趣的朋友可以完善一下） 
进一步分析发现，字符串和数值有一定的相似性，就是它们并不需要计算，只需要作为一个存储单元即可。那么就可以将它们合并，称为值记号对象TokenValue。其他记号对象在Execute中实现自己的特定算法，而值记号对象的Execute方法中不做任何操作。

按照上面对操作元素的分类，从TokenRecord类衍生出一下几个类：TokenValue（对应字符串和数值），TokenMethod（方法类，抽象类，对应部分关键字而非全部，因为有些关键字是常量，可以用TokenValue表示）， TokenSymbol（对应运算符，抽象类）。类图如下：  
![o_TokenRecord.png][]  
然后再从这些类中衍生出更多的具体的类，比如TokenIf， TokenSin， TokenCos， TokenPlus， TokenMinus。  
以这个表达式为例，23.5+(54/3-9)\*2，分析出来的TokenList记号对象列表如下：

<table style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;border-left:#a3a3a3 1pt solid;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;border-collapse:collapse;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> 记号对象 </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> 对应表达式 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenValue </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> 23.5 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenPlus </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> + </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenLeftBracket </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> ( </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenValue </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> 54 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenDivide </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> / </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenValue </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> 3 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenMinus </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> - </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenValue </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> 9 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenRightBracket </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> ) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenMultiply </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> * </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:1.313in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> TokenValue </td> 
 <td style="border-right:#a3a3a3 1pt solid;border-top:#a3a3a3 1pt solid;vertical-align:top;border-left:#a3a3a3 1pt solid;width:.952in;border-bottom:#a3a3a3 1pt solid;"> 2 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

这样就把传入的表达式字符串表示成程序可以识别的对象了，然后再对这些记号对象进行处理，最终得到计算结果。这一节只是介绍记号对象，至于怎么将表达式转换成记号对象，下一篇再详细介绍。

接下来是如何实现具体的TokenRecord类。以乘法记号类TokenMultiply为例，TokenMultiply继承自TokenArithmetic，TokenArithmetic继承自TokenSymbol，TokenSymbol继承自TokenRecord。  
![o_TokenSymbol.png][]  
TokenSymbol类也是一个抽象类，只是将部分重复的设置实现了，减少其子类中重复的代码，TokenSymbol类的代码如下：

![ContractedBlock.gif][] ![ExpandedBlockStart.gif][] Code   
publicabstractclass TokenSymbol : TokenRecord  
\{  
public TokenSymbol(int Index, int Length)  
: base(Index, Length)  
\{  
this.TokenValueType =typeof(double);//部分操作符必须根据实际修改  
 \}  
  
protectedoverridevoid SetChildCount()  
\{  
this.m\_ChildCount =2;//必须根据实际修改  
 \}  
  
publicabstractoverridevoid Execute();  
\}

TokenArithmetic类则是个完全的抽象类，只是为了进行分类而已，任何功能都没实现，其代码如下：

![ContractedBlock.gif][] ![ExpandedBlockStart.gif][] Code   
publicabstractclass TokenArithmeticSymbol : TokenSymbol  
\{  
public TokenArithmeticSymbol(int Index, int Length)  
: base(Index, Length)  
\{  
\}  
  
publicabstractoverridevoid Execute();  
\}

最后是TokenMultiply类，它实现具体的乘法操作，代码如下：

![ContractedBlock.gif][] ![ExpandedBlockStart.gif][] Code   
publicclass TokenMultiply : TokenArithmeticSymbol  
\{  
public TokenMultiply(int Index, int Length)  
: base(Index, Length)  
\{  
\}  
  
protectedoverridevoid SetPriority()  
\{  
this.m\_Priority =3;  
\}  
  
publicoverridevoid Execute()  
\{  
this.CheckChildCount("乘法的运算元素数量不合法");  
  
TokenRecord TokenFirst =this.ChildList\[0\];  
TokenRecord TokenSecond =this.ChildList\[1\];  
TokenFirst.Execute();  
TokenSecond.Execute();  
  
this.TokenValue = TokenFirst.ChangeTokenToDouble("乘法的运算元素不是数值") \* TokenSecond.ChangeTokenToDouble("乘法的运算元素不是数值");  
\}  
\}

TokenRecord中的三个虚方法SetChildCount， SetPriority， Execute都得到了实现。这里每一个具体的记号都只负责自己内部的计算，降低了类和外部的联系，即高内聚低耦合。如果需要添加新的计算方法，只需要从TokenRecord继承，然后实现这三个方法即可，可以很容易的进行扩展。例如本程序中实现了三角函数sin和cos，但未实现tan。如果需要实现tan，只需要根据sin或者cos的实现方法去做就可以了。甚至可以再提炼出一个抽象类，让所有的三角函数计算都从它继承。  
  
本篇就到此，下一篇将介绍如何将表达式字符串转换成程序可以处理的TokenRecord对象列表。  
代码下载： [http://files.cnblogs.com/conexpress/ConExpress\_MyCalculator.rar][http_files.cnblogs.com_conexpress_ConExpress_MyCalculator.rar]

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[ContractedBlock.gif]: https://www.cnblogs.com/Images/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif
[ExpandedBlockStart.gif]: /images/20211220/fa9eda5b699449678b3cfe4f80da7b0d.png
[o_TokenRecord.png]: /images/20211220/8757b97d1edb45f995ff539adcbabedd.png
[o_TokenSymbol.png]: /images/20211220/1b07385e85d14c23836e3b189c75f544.png
[http_files.cnblogs.com_conexpress_ConExpress_MyCalculator.rar]: http://files.cnblogs.com/conexpress/ConExpress_MyCalculator.rar