字符串表达式计算(a+b/(a-b))的思路与实践
前言为满足业务需要，需要为项目中自定义模板添加一个计算字段的组件，通过设置字符串表达式，使用时在改变表达式其中一个字段的数据时，自动计算另外一个字段的值。
本篇为上篇，介绍原理，简单实现一个工具，输入字符串表达式，解析其中的参数，输入参数计算结果。
下篇将基于此封装实现对Mongo查询语法的封装，通过addFields的方式转换表达式，后续等封装成NuGet包再分享
实现如下所示
输入 1+1输出 2
输入 a+1 参数a:1 输出 2
输入 (a+1)*b 输入a:1,b:1 输出 2
输入 (a+1-(2+a)*3/3)/a+3 输入a:1 输出 2https://img2023.cnblogs.com/blog/662652/202310/662652-20231030225005518-81688698.png
实现思路
想要实现上面这个功能，需要先了解诸如 (a+1-(2+a)*3/3)/a+3 这个是什么？
维基百科：中缀表示法（或中缀记法）是一个通用的算术或逻辑公式表示方法， 操作符是以中缀形式处于操作数的中间（例：3 + 4）。与前缀表达式（例：+ 3 4 ）或后缀表达式（例：3 4 + ）相比，中缀表达式不容易被电脑解析逻辑优先顺序，但仍被许多程序语言使用，因为它符合大多数自然语言的写法。
前缀表示法 （+ 3 4 ）也叫 波兰表示法
后缀表示法 （3 4 + ）也叫 逆波兰表示法
在维基百科的说明中，也给出了和其相关的另外两种表示法，以及用于把中缀表达式转换到后缀表达式或树的算法：调度场算法 ，如下图所示
https://img2023.cnblogs.com/blog/662652/202310/662652-20231030225005622-15860081.png
实现代码
找了很多的开源项目，最终基于 qinfengzhu/Evaluator ，实现了上述功能。
调用代码
using Evaluator;
using System.Text.RegularExpressions;
Console.WriteLine("字符串表达式计算工具");
EvalTest();
void EvalTest()
{
Console.WriteLine("----------------------------------------------------");
var parse = new EvalParser();
Console.Write("请输入表达式：");//a+b*3/5+a
var evalStr = Console.ReadLine();
if (string.IsNullOrEmpty(evalStr))
{
Console.WriteLine("Game Over");
return;
}
//解析其中的变量并让用户输入
var matchs = Regex.Matches(evalStr, @"\b[\w$]+\b");
var paramsDic = new Dictionary<string, object>();
//预定义参数
paramsDic.Add("now_year", DateTime.Now.Year);
paramsDic.Add("now_month", DateTime.Now.Month);
paramsDic.Add("now_day", DateTime.Now.Day);
foreach (Match match in matchs)
{
if (decimal.TryParse(match.Value, out decimal kp))
continue;
if (!paramsDic.ContainsKey(match.Value))
{
Console.Write($"请输入数字变量【{match.Value}】：");
var paramValue = Console.ReadLine();
decimal dvalue;
while (!decimal.TryParse(paramValue, out dvalue))
{
Console.WriteLine($"输入有误，请输入数字变量【{match.Value}】：");
paramValue = Console.ReadLine();
}
paramsDic.Add(match.Value, dvalue);
}
}
var result = parse.EvalNumber(evalStr, paramsDic);
Console.WriteLine($"结果：{result}");
EvalTest();
}EvalParser 类的实现
通过上面调用代码可以看到，核心的计算类是 EvalParser ，调用其 EvalNumber 进行计算
EvalNumber 实现
[*]EvalNumber 方法,主要分为3步
[*]第一步将表达式解析转换到队列中，即将 中缀表达式，转换成后缀表达式
[*]第二步将队列中的表达式加入表达式栈中
[*]第三步使用表达式树进行计算
[*]返回值处理
[*]已知的错误有除以0和溢出的异常，所以直接捕获返回null，也可以在计算除数的时候判断值为0就直接返回null，
[*]精度处理
[*]EvalNumber 计算核心代码
[*]/// <summary>
/// 计算表达式的计算结果
/// </summary>
/// <param name="expression">表达式</param>
/// <param name="dynamicObject">动态对象</param>
/// <param name="precision">精度 默认2</param>
/// <returns>计算的结果</returns>
public decimal? EvalNumber(string expression, Dictionary<string, object> dynamicObject, int precision = 2)
{
var values = dynamicObject ?? new Dictionary<string, object>();
//中缀表达式，转换成后缀表达式并入列
var queue = ParserInfixExpression(expression, values);
var cacheStack = new Stack<Expression>();
while (queue.Count > 0)
{
var item = queue.Dequeue();
if (item.ItemType == EItemType.Value && item.IsConstant)
{
var itemExpression = Expression.Constant(item.Value);
cacheStack.Push(itemExpression);
continue;
}
if (item.ItemType == EItemType.Value && !item.IsConstant)
{
var propertyName = item.Content.Trim();
//将参数替换回来
propertyName = PreReplaceTextToOprator(propertyName, values);
//参数为空的情况
if (!values.ContainsKey(propertyName) || values == null || !decimal.TryParse(values.ToString(), out decimal propertyValue))
return null;
//var propertyValue = decimal.Parse(values.ToString());
var itemExpression = Expression.Constant(propertyValue);
cacheStack.Push(itemExpression);
}
if (item.ItemType == EItemType.Operator)
{
if (cacheStack.Count <= 1)
continue;
Expression firstParamterExpression = Expression.Empty();
Expression secondParamterExpression = Expression.Empty();
switch (item.Content)
{
case EvalParser.AddOprator:
firstParamterExpression = cacheStack.Pop();
secondParamterExpression = cacheStack.Pop();
var addExpression = Expression.Add(secondParamterExpression, firstParamterExpression);
cacheStack.Push(addExpression);
break;
case EvalParser.DivOperator:
firstParamterExpression = cacheStack.Pop();
secondParamterExpression = cacheStack.Pop();
var divExpression = Expression.Divide(secondParamterExpression, firstParamterExpression);
cacheStack.Push(divExpression);
break;
case EvalParser.MulOperator:
firstParamterExpression = cacheStack.Pop();
secondParamterExpression = cacheStack.Pop();
var mulExpression = Expression.Multiply(secondParamterExpression, firstParamterExpression);
cacheStack.Push(mulExpression);
break;
case EvalParser.SubOperator:
firstParamterExpression = cacheStack.Pop();
secondParamterExpression = cacheStack.Pop();
var subExpression = Expression.Subtract(secondParamterExpression, firstParamterExpression);
cacheStack.Push(subExpression);
break;
case EvalParser.LBraceOperator:
case EvalParser.RBraceOperator:
continue;
default:
throw new Exception("计算公式错误");
}
}
}
if (cacheStack.Count == 0)
return null;
var lambdaExpression = Expression.Lambda<Func<decimal>>(cacheStack.Pop());
try
{
// 除0 溢出
var value = lambdaExpression.Compile()();
return Math.Round(value, precision);
}
catch (Exception ex)
{
//System.OverflowException
//System.DivideByZeroException
if (ex is DivideByZeroException
|| ex is OverflowException)
return null;
throw ex;
}
}
[*]PreParserInfixExpression 计算嵌套(),以及先行计算纯数字，主要是在后面转换为mongo语法的时候用到，让纯数字计算在内存中运行而不是数据库中计算
[*]/// <summary>
/// 符号转换字典
/// </summary>
private static Dictionary<char, string> OperatorToTextDic = new Dictionary<char, string>()
{
{ '+', "_JIA_" },
{ '-', "_JIAN_" },
{ '/', "_CHENG_" },
{ '*', "_CHU_" },
{ '(', "_ZKH_" },
{ ')', "_YKH_" }
};
/// <summary>
/// 预处理参数符号转文本
/// </summary>
/// <param name="expression"></param>
/// <param name="dynamicObject"></param>
/// <returns></returns>
public string PreReplaceOpratorToText(string expression, Dictionary<string, object> dynamicObject)
{
//如果是参数里面包含了括号,将其中的参数替换成特殊字符
var existOperatorKeys = dynamicObject.Keys.Where(s => OperatorToTextDic.Keys.Any(s2 => s.Contains(s2))).ToList();
//存在特殊字符变量的
if (existOperatorKeys.Any())
{
//将符号替换成字母
foreach (var s in existOperatorKeys)
{
var newKey = s;
foreach (var s2 in OperatorToTextDic)
{
newKey = newKey.Replace(s2.Key.ToString(), s2.Value);
}
expression = expression.Replace(s, newKey);
}
}
return expression;
}
ParserInfixExpression 表达式转换核心代码
[*]/// <summary>
/// 预处理计算表达式
/// </summary>
/// <param name="expression">表达式</param>
/// <param name="dynamicObject">参数</param>
/// <param name="isCompile">是否是编译</param>
/// <returns></returns>
public string PreParserInfixExpression(string expression, Dictionary<string, object> dynamicObject, bool isCompile = false)
{
expression = expression.Trim();
string pattern = @"((.*?))";
Match match = Regex.Match(expression, pattern);
if (match.Success && match.Groups.Count > 1)
{
var constText = match.Groups.Value;
var constValue = match.Groups.Value;
string numPattern = @"(([\s|0-9|+-*/|.]+))";
//纯数字计算 或者 不是编译预约
if (Regex.IsMatch(constText, numPattern) || !isCompile)
{
var evalValue = EvalNumber(constValue, dynamicObject);
if (evalValue == null)
return string.Empty;
var replaceText = evalValue.ToString();
expression = expression.Replace(constText, replaceText);
}
else if (isCompile)
{
//编译计算
var completeText = Compile(constValue, dynamicObject).ToString();
//临时参数Key
var tempPramKey = "temp_" + Guid.NewGuid().ToString("n");
dynamicObject.Add(tempPramKey, completeText);
expression = expression.Replace(constText, tempPramKey);
}
else
{
return expression;
}
return PreParserInfixExpression(expression, dynamicObject, isCompile);
}
return expression;
}
</ul>EvalDate 实现指定日期类型输出
因项目需要，需要将当前日期，当前时间加入默认变量，并支持加入计算公式中，计算的结果也可以选择是日期或者数值。
需要实现这个功能，需要先定义好，时间如何计算，我们将日期时间转换成时间戳来进行转换后参与计算，计算完成后再转换成日期即可。
所以只需要在上面的数值计算包裹一层就可以得到日期的计算结果
[*]EvalDate 核心代码
[*]/// <summary>
/// 转换表达式
/// </summary>
/// <param name="expression"></param>
/// <param name="dynamicObject"></param>
/// <param name="isComplete"></param>
/// <returns></returns>
public Queue<EvalItem> ParserInfixExpression(string expression, Dictionary<string, object> dynamicObject, bool isComplete = false)
{
var queue = new Queue<EvalItem>();
if (string.IsNullOrEmpty(expression))
return queue;
expression = PreReplaceOpratorToText(expression, dynamicObject);
expression = PreParserInfixExpression(expression, dynamicObject, isComplete);
if (string.IsNullOrEmpty(expression))
return queue;
var operatorStack = new Stack<OperatorChar>();
int index = 0;
int itemLength = 0;
//当第一个字符为+或者-的时候
char firstChar = expression;
if (firstChar == AddOprator || firstChar == SubOperator)
{
expression = string.Concat("0", expression);
}
int expressionLength = expression.Length;
using (var scanner = new StringReader(expression))
{
string operatorPreItem = string.Empty;
while (scanner.Peek() > -1)
{
char currentChar = (char)scanner.Read();
switch (currentChar)
{
case AddOprator:
case SubOperator:
case DivOperator:
case MulOperator:
case LBraceOperator:
case RBraceOperator:
//直接把数字压入到队列中
operatorPreItem = expression.Substring(index, itemLength);
if (operatorPreItem != "")
{
var numberItem = new EvalItem(EItemType.Value, operatorPreItem);
queue.Enqueue(numberItem);
}
index = index + itemLength + 1;
itemLength = -1;
//当前操作符
var currentOperChar = new OperatorChar() { Operator = currentChar };
if (operatorStack.Count == 0)
{
operatorStack.Push(currentOperChar);
break;
}
//处理当前操作符与操作字符栈进出
var topOperator = operatorStack.Peek();
//若当前操作符为(或者栈顶元素为(则直接入栈
if (currentOperChar == LBraceOperatorChar || topOperator == LBraceOperatorChar)
{
operatorStack.Push(currentOperChar);
break;
}
//若当前操作符为),则栈顶元素顺序输出到队列,至到栈顶元素(输出为止,单(不进入队列,它自己也不进入队列
if (currentOperChar == RBraceOperatorChar)
{
while (operatorStack.Count > 0)
{
if (operatorStack.Peek() != LBraceOperatorChar)
{
var operatorItem = new EvalItem(EItemType.Operator, operatorStack.Pop().GetContent());
queue.Enqueue(operatorItem);
}
else
{
break;
}
}
if (operatorStack.Count > 0 && operatorStack.Peek() == RBraceOperatorChar)
{
operatorStack.Pop();
}
break;
}
//若栈顶元素优先级高于当前元素，则栈顶元素输出到队列,当前元素入栈
if (topOperator.Level > currentOperChar.Level || topOperator.Level == currentOperChar.Level)
{
var topActualOperator = operatorStack.Pop();
var operatorItem = new EvalItem(EItemType.Operator, topActualOperator.GetContent());
queue.Enqueue(operatorItem);
while (operatorStack.Count > 0)
{
var tempTop = operatorStack.Peek();
if (tempTop.Level > currentOperChar.Level || tempTop.Level == currentOperChar.Level)
{
var topTemp = operatorStack.Pop();
var operatorTempItem = new EvalItem(EItemType.Operator, topTemp.GetContent());
queue.Enqueue(operatorTempItem);
}
else
{
break;
}
}
operatorStack.Push(currentOperChar);
}
//当当前元素小于栈顶元素的时候，当前元素直接入栈
else
{
operatorStack.Push(currentOperChar);
}
break;
default:
break;
}
itemLength++;
}
}
//剩余无符号的字符串
if (index < expressionLength)
{
string lastNumber = expression.Substring(index, expressionLength - index);
var lastNumberItem = new EvalItem(EItemType.Value, lastNumber);
queue.Enqueue(lastNumberItem);
}
//弹出栈中所有操作符号
if (operatorStack.Count > 0)
{
while (operatorStack.Count != 0)
{
var topOperator = operatorStack.Pop();
var operatorItem = new EvalItem(EItemType.Operator, topOperator.GetContent());
queue.Enqueue(operatorItem);
}
}
return queue;
}
代码中的数据定义
其他数据定义 OperatorChar EvalItem EItemType CharExtension 可以查看完整demo
相关说明
[*]相关算法：中缀表达式，后缀表达式，逆波兰算法，调度场算法
[*]相关语言：C#
[*]参考项目：qinfengzhu/Evaluator
[*]本文Demo: DevopsDemo/EvalDemo
后语
期间找了很多开源项目参考，需求的独特性，最终是实现了功能
整个计算字段的实现花了3周时间，终于是顺利上线。
沉迷学习，无法自拔。
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