聊聊前序、中序、后序表达式
在游戏开发中，我们经常需要在配置表中定义各种公式，比如 a * (b + c)，用来计算技能伤害、属性加成等。如果直接让程序在运行时解析并执行这些公式，就需要处理运算符优先级和括号等复杂问题。这时，后序表达式就派上了用场。我们将中序表达式 a * (b + c) 转换为后序表达式 a b c + *，这样程序只需要一个栈就能高效计算，无需担心优先级和括号。
而要深入理解后序表达式，就不得不提到与之相关的完整概念体系：前序表达式、中序表达式和后序表达式。这三种表达式各有特点，共同构成了计算机处理数学表达式的理论基础。
1.中序(中缀)&前序表达式
中序表达式就是日常书写的公式，但这种日常公式对计算机并不友好，有括号、优先级等需要考虑，计算机直接读取较为麻烦
因此波兰数学家扬·武卡谢维奇发明了"波兰表示法"（前序表达式）
所以前序表达式又叫做 波兰式
例如LISP的语法风格就是基于前序表达式的：
;; 中序: 1 + 2 * 3
;; 前序:
+ 1 * 2 3 ; => 7
;; 中序: (1 + 2) * 3
;; 前序:
* + 1 2 3 ; => 9而我们现在使用较多的则是后序表达式，因为中序表达式转换为后序表达式内存开销较少，计算更为友好。
2.后序表达式(逆波兰式)
几个逆波兰式的例子：
中序：1 + 2
后序：1 2 +
中序：1 + 2 * 3
后序：1 2 3 * +
中序：(1 + 2) * 3
后序：1 2 + 3 *
通常可以将表达式从中序转逆序后存放在内存里，供计算时使用。也可以通过双栈法直接计算出结果。
常见的中序转逆序算法如下。
2.1 中序转后序表达式
示例公式：(A + B) * C
首先创建栈结构存放符号
从左向右读取原公式，读到非符号输出，读到符号以如下规则操作：
<ul>若栈为空，读到符号可以直接入栈
* / 优先级高于 + -，将读取到的符号与栈顶符号做比较，若 1, '*' or '/' => 2, '(' => 0, // 左括号在栈内优先级最低 _ => -1 // 其他情况（包括右括号） }; } var rpnBuilder = new StringBuilder(); var stack = new Stack(); var numBuilder = new StringBuilder(); foreach (var ch in inStr) { if (Char.IsWhiteSpace(ch)) { // 遇到空格时，如果正在构建数字，就完成这个数字 if (numBuilder.Length > 0) { rpnBuilder.Append(numBuilder.ToString()).Append(' '); numBuilder.Clear(); } continue; } if (char.IsDigit(ch) || ch == '.') { // 数字或小数点：添加到数字构建器 numBuilder.Append(ch); continue; } else { // 遇到操作符前，先完成当前数字的构建 if (numBuilder.Length > 0) { rpnBuilder.Append(numBuilder.ToString()).Append(' '); numBuilder.Clear(); } } switch (ch) { case '(': stack.Push(ch); break; case ')': // 弹出直到遇到左括号 while (stack.Count > 0 && stack.Peek() != '(') { rpnBuilder.Append(stack.Pop()).Append(' '); } if (stack.Count > 0 && stack.Peek() == '(') { stack.Pop(); // 弹出左括号但不输出 } break; case '+': case '-': case '*': case '/': // 处理操作符优先级 while (stack.Count > 0 && stack.Peek() != '(' && GetPriority(ch)0) { rpnBuilder.Append(numBuilder.ToString()).Append(' '); } // 弹出栈中剩余操作符 while (stack.Count > 0) { rpnBuilder.Append(stack.Pop()).Append(' '); } // 移除末尾多余的空格 if (rpnBuilder.Length > 0 && rpnBuilder == ' ') { rpnBuilder.Length--; } rpnStr = rpnBuilder.ToString();} 这样就可以将公式转换为后序表达式先存放在内存中了。
2.2 求解后序表达式
求解后续表达式，同样需要一个栈结构来辅助。
规则是：
[*]遇到操作数（数字/变量） → 压入栈。
[*]遇到运算符 → 从栈中弹出两个操作数：
[*]先弹出的是右操作数
[*]再弹出的是左操作数
然后进行运算，把结果压回栈。
[*]扫描完后，栈顶就是最终结果
代码如下：
ConvertRpn("1 + 2 * 3 + (4 * e + f) * g", out var rpnStr);
Debug.Log(rpnStr);//1 2 3 * + 4 e * f + g * +void ConvertRpn(string inStr, out string rpnStr)
{
int GetPriority(char ch)
{
return ch switch
{
'+' or '-' => 1,
'*' or '/' => 2,
'(' => 0, // 左括号在栈内优先级最低
_ => -1 // 其他情况（包括右括号）
};
}
var rpnBuilder = new StringBuilder();
var stack = new Stack<char>();
var numBuilder = new StringBuilder();
foreach (var ch in inStr)
{
if (Char.IsWhiteSpace(ch))
{
// 遇到空格时，如果正在构建数字，就完成这个数字
if (numBuilder.Length > 0)
{
rpnBuilder.Append(numBuilder.ToString()).Append(' ');
numBuilder.Clear();
}
continue;
}
if (char.IsDigit(ch) || ch == '.')
{
// 数字或小数点：添加到数字构建器
numBuilder.Append(ch);
continue;
}
else
{
// 遇到操作符前，先完成当前数字的构建
if (numBuilder.Length > 0)
{
rpnBuilder.Append(numBuilder.ToString()).Append(' ');
numBuilder.Clear();
}
}
switch (ch)
{
case '(':
stack.Push(ch);
break;
case ')':
// 弹出直到遇到左括号
while (stack.Count > 0 && stack.Peek() != '(')
{
rpnBuilder.Append(stack.Pop()).Append(' ');
}
if (stack.Count > 0 && stack.Peek() == '(')
{
stack.Pop(); // 弹出左括号但不输出
}
break;
case '+':
case '-':
case '*':
case '/':
// 处理操作符优先级
while (stack.Count > 0 && stack.Peek() != '(' &&
GetPriority(ch) <= GetPriority(stack.Peek()))
{
rpnBuilder.Append(stack.Pop()).Append(' ');
}
stack.Push(ch);
break;
default:
rpnBuilder.Append(ch).Append(' ');
break;
}
}
// 处理最后一个数字（如果存在）
if (numBuilder.Length > 0)
{
rpnBuilder.Append(numBuilder.ToString()).Append(' ');
}
// 弹出栈中剩余操作符
while (stack.Count > 0)
{
rpnBuilder.Append(stack.Pop()).Append(' ');
}
// 移除末尾多余的空格
if (rpnBuilder.Length > 0 && rpnBuilder == ' ')
{
rpnBuilder.Length--;
}
rpnStr = rpnBuilder.ToString();
}
2.3 双栈法直接求值
使用双栈法，可以不用转换为后序表达式再求值，而是直接求值。
核心思想是使用2个栈，数值栈和字符栈。当字符栈弹出时，顺便就计算当前步骤结果并且放回数值栈。
代码如下：
rpnStr = "1 2 3 * + 4 e * f + g * +";
var result = CalcPrn(rpnStr, new Dictionary<char, float> { ['e'] = 10f, ['f'] = 12f, ['g'] = 14f });
Debug.Log(result);// 735float CalcPrn(string rpnStr, Dictionary<char, float> replace)
{
var rpnBuilder = new StringBuilder();
var stack = new Stack<object>();
var numBuilder = new StringBuilder();
foreach (var ch in rpnStr)
{
if (Char.IsWhiteSpace(ch))
{
if (numBuilder.Length > 0)
{
stack.Push(float.Parse(numBuilder.ToString()));
numBuilder.Clear();
}
continue;
}
if (char.IsDigit(ch) || ch == '.')
{
numBuilder.Append(ch);
continue;
}
else
{
if (numBuilder.Length > 0)
{
stack.Push(float.Parse(numBuilder.ToString()));
numBuilder.Clear();
}
}
if (ch is '+' or '-' or '*' or '/')
{
var x = (float)stack.Pop();
var y = (float)stack.Pop();
switch (ch)
{
case '+':
stack.Push(x + y);
break;
case '-':
stack.Push(x - y);
break;
case '*':
stack.Push(x * y);
break;
case '/':
stack.Push(x / y);
break;
}
}
else // 变量
{
stack.Push(replace);
}
}
return (float)stack.Pop();
}
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