【数据结构】超详细讲解：算术表达式转化为后缀表达式、前缀表达式、表达式树的构建

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一、什么是中缀表达式、后缀表达式、前缀表达式

• 中缀表达式：
  中缀表达式是我们常见的数学表达式，其中运算符放置在两个操作数中间，例如：3 + 4 * 2。在中缀表达式中，还可以包含括号，用于改变运算符的优先级。

• 后缀表达式：
  后缀表达式（也称为逆波兰表达式）是一种将运算符放置在操作数后面的表达式，例如：3 4 2 * 1 5 - 2 ^ / +。在后缀表达式中，所有操作符的优先级相同，而括号则不再需要。

• 前缀表达式：
  前缀表达式（也称为波兰表达式）是一种将运算符放置在操作数前面的表达式，例如：+ / * 3 4 2 ^ - 1 5 2。前缀表达式和后缀表达式的计算方式相同，只是运算符的位置不同。

其中，后缀表达式和前缀表达式都是一种无歧义的表示方法，可以通过栈来快速计算。在计算机科学中，后缀表达式比较常用，因为它可以通过栈来轻松地实现表达式的计算。

一般我们所讲“算术表达式”，没有特别强调时，都是指的“中缀表达式”，也就是最常见的那种

通过后缀表达式进行计算可以按照以下步骤进行：

1. 创建一个空栈，用于存储数字。
2. 从左到右扫描后缀表达式的每个元素。
3. 如果当前元素是数字，则将其压入栈中。
4. 如果当前元素是操作符，则依次弹出栈顶的两个数字，进行相应的运算，并将结果压入栈中。
5. 当后缀表达式扫描完毕后，栈中的唯一元素就是表达式的最终结果。

以下是一个示例，计算后缀表达式 “3 4 2 * 1 5 - 2 ^ / +”：

后缀表达式	操作	栈
3	压栈	3
4	压栈	3 4
2	压栈	3 4 2
*	弹栈计算并压栈	3 8
1	压栈	3 8 1
5	压栈	3 8 1 5
-	弹栈计算并压栈	3 8 -4
2	压栈	3 8 -4 2
^	弹栈计算并压栈	3 8 16
/	弹栈计算并压栈	0.1875
+	弹栈计算并压栈	3.1875

因此，后缀表达式 “3 4 2 * 1 5 - 2 ^ / +” 的计算结果为 3.1875。

二、中缀转后缀

要将算术表达式转换为逆波兰表达式，可以按照以下步骤进行：

1. 创建一个空的栈，用于存储操作符。
2. 从左到右扫描中缀表达式的每个元素。
3. 如果当前元素是操作数，则直接输出到逆波兰表达式中。
4. 如果当前元素是操作符，则进行如下操作：
   • 如果该操作符为左括号 “(”，则将其压入栈中。
   • 如果该操作符为右括号 “)”，则将栈中的操作符弹出并输出，直到遇到左括号为止。
   • 如果该操作符为其他操作符，则根据其优先级和结合性，依次将栈中比它优先级高或等于它的操作符弹出并输出，然后将该操作符压入栈中。
5. 当中缀表达式扫描完毕后，如果栈中还有操作符，则依次弹出并输出。

最终输出的结果就是逆波兰表达式。

算术表达式 a+b*(c+d/e) 转化为后缀表达式的过程如下：

中缀表达式	操作	栈	后缀表达式
a	输出	空	a
+	压栈	+	a
b	输出	+	a b
*	压栈	+ *	a b
(	压栈	+ * (	a b
c	输出	+ * (	a b c
+	压栈	+ *（ +	a b c
d	输出	+ * ( +	a b c d
/	压栈	+ * ( + /	a b c d
e	输出	+ * ( + /	a b c d e
)	弹栈输出	+ *	a b c d e /
结束	弹栈输出	空	a b c d e / + * +

因此，算术表达式 a+b*(c+d/e) 转化为后缀表达式为 a b c d e / + * +

三、中缀转前缀

1. 将中缀表达式翻转。
2. 将所有括号方向翻转，即左括号变为右括号，右括号变为左括号。
3. 将翻转后的中缀表达式转化为后缀表达式。
4. 再次将后缀表达式翻转，得到前缀表达式。

例如，将中缀表达式 a+b*c-d/e 转化为前缀表达式的过程如下：

1. 将中缀表达式翻转：e/d-c*b+a
2. 将翻转后的中缀表达式转化为后缀表达式：ed/ cb* - a+
3. 再次将后缀表达式翻转，得到前缀表达式：+a -*c/b de

因此，中缀表达式 a+b*c-d/e 转化为前缀表达式为 +a -*c/b de。

四、使用表达式树

将算术表达式转换为二叉树的过程可以使用表达式树的方法实现，具体步骤如下：

1. 将算术表达式转化为后缀表达式。
2. 从左到右扫描后缀表达式的每个元素：
   • 如果当前元素是操作数，则创建一个只包含该操作数的节点，并将该节点压入栈中。
   • 如果当前元素是操作符，则创建一个只包含该操作符的节点，并从栈中弹出两个节点作为其左右子节点，再将该节点压入栈中。
3. 最后栈中唯一的节点即为根节点，整个树的结构已经建立完成。

例如，将算术表达式 a+b*(c+d/e) 转化为二叉树的过程如下：

1. 将算术表达式转化为后缀表达式：abcde/+*+
2. 从左到右扫描后缀表达式的每个元素：
   • a：创建一个只包含 a 的节点，并将该节点压入栈中。
   • b：创建一个只包含 b 的节点，并将该节点压入栈中。
   • c：创建一个只包含 c 的节点，并将该节点压入栈中。
   • d：创建一个只包含 d 的节点，并将该节点压入栈中。
   • e：创建一个只包含 e 的节点，并将该节点压入栈中。
   • /：创建一个只包含 / 的节点，并从栈中弹出两个节点 e 和 d 作为其左右子节点，再将该节点压入栈中。
   • +：创建一个只包含 + 的节点，并从栈中弹出两个节点 c 和 / 作为其左右子节点，再将该节点压入栈中。
   • *：创建一个只包含 * 的节点，并从栈中弹出两个节点 b 和 + 作为其左右子节点，再将该节点压入栈中。
   • +：创建一个只包含 + 的节点，并从栈中弹出两个节点 a 和 * 作为其左右子节点，再将该节点压入栈中。
3. 根节点为最后剩余在栈中的节点 +。

因此，算术表达式 a+b*(c+d/e) 转化为的二叉树如下：

      +
     / \
    a   *
       / \
      b   +
         / \
        c   /
           / \
          d   e

转换完成后，该二叉树的前序遍历对应前缀表达式，中序对应中缀表达式，后序遍历对应后缀表达式

文章来源:https://blog.csdn.net/Yaoyao2024/article/details/130305193
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