Обратная польская запись

Два плюс два, умножить на два?

Не знаю как вы, но я в школе долго мучился, пытаясь разобраться с приоритетом операций и скобками. Потом, как и каждый начинающий программист, я мучился с приоритетом операций и скобками, когда писал собственный калькулятор. А оказалось, что все эти мучения были напрасны. Ведь существует прекрасный механизм, известный, как обратная польская запись. О том, что это такое и как с этим работать я и хочу вам рассказать.

В математике существует древняя традиция помещать оператор между операндами (x+y), а не после операндов (xy+). Форма с оператором между операндами называется инфиксной записью. Форма с оператором после операндов называется постфиксной, или обратной польской записью в честь польского логика Я. Лукасевича (1958), который изучал свойства этой записи.
Обратная польская запись имеет ряд преимуществ перед инфиксной записью при выражении алгебраических формул. Во-первых, любая формула может быть выражена без скобок. Во-вторых, она удобна для вычисления формул в машинах со стеками. В-третьих, инфиксные операторы имеют приоритеты, которые произвольны и нежелательны. Например, мы знаем, что ab+c значит (ab)+c, а не a(b+c), поскольку произвольно было определено, что умножение имеет приоритет над сложением. Но имеет ли приоритет сдвиг влево перед операцией И? Кто знает? Обратная польская запись позволяет устранить такие недоразумения.

Постановка задачи
На вход программы поступает выражение, состоящее из односимвольных идентификаторов и знаков арифметических действий. Требуется преобразовать это выражение в обратную польскую запись или же сообщить об ошибке.

Алгоритм перевода в обратную польскую запись
Существует несколько алгоритмов для превращения инфиксных формул в обратную польскую запись. Мы рассмотрим переработанный алгоритм, идее которого предложена Э. Дейкстра (E.W. Dijkstra). Предположим, что формула состоит из переменных, двухоперандных операторов +,-,*,/,^, а также левой и правой скобок. Чтобы отметить конец формулы, мы будем вставлять символ после её последнего символа и перед первым символом следующей формулы.


На рисунке схематично показана железная дорога из Нью-Йорка в Калифорнию с ответвлением, ведущим в Техас. Каждый символ формулы представлен одним вагоном. Поезд движется на запад (налево). Перед стрелкой каждый вагон должен останавливаться и узнавать, должен ли он двигаться прямо в Калифорнию, или ему нужно будет по пути заехать в Техас. Вагоны, содержащие переменные, всегда направляются в Калифорнию и никогда не едут в Техас. Вагоны, содержащие все прочие символы, должны перед прохождением стрелки узнавать о содержимом ближайшего вагона, отправившегося в Техас.
В таблице показана зависимость ситуации от того, какой вагон отправился в Техас последним и какой вагон находится у стрелки. Первый вагон (помеченный символом ⊥) всегда отправляется в Техас.



Числа соответствуют следующим ситуациям:
1. Вагон на стрелке отправляется в Техас
2. Последний вагон, направившийся в Техас, разворачивается и направляется в Калифорнию
3. Вагон, находящийся на стрелке, и последний вагон, отправившийся в Техас, угоняются и исчезают
4. Остановка. Символы, находящиеся на Калифорнийской ветке, представляют собой формулу в обратной польской записи, если читать слева направо
5. Остановка. Произошла ошибка. Изначальная формула была некорректно сбалансирована

После каждого действия производится новое сравнение вагона, находящегося у стрелки (это может быть тот же вагон, что и в предыдущем сравнении, а может быть следующий вагон), и вагона, который на данный момент последним ушёл на Техас. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнут шаг 4. Отметим, что линия на Техас используется как стек, где отправка вагона в Техас – это помещение элемента в стек, а разворот отправленного в Техас вагона в сторону Калифорнии – это выталкивание элемента из стека.
Порядок следования переменных в инфиксной и постфиксной записи одинаков. Однако порядок следования операторов не всегда один и тот же. В обратной польской записи операторы появляются в том порядке, в котором они будут выполняться.

Пример вычисления выражения в обратной польской записи
Обратная польская запись идеально подходит для вычисления формул на компьютере со стеком. Формула состоит из n символов, каждый из которых является либо операндом, либо оператором. Алгоритм для вычисления формулы в обратной польской записи с использованием стека прост. Нужно просто прочитать обратную польскую запись слева направо. Если встречается операнд, его нужно пометить в стек. Если встречается оператор, нужно выполнить заданную им операцию.
В качестве примера рассмотрим вычисление следующего выражения: (8+2*5)/(1+3*2-4). Соответствующая формула в обратной польской записи выглядит так: 825*+132*+4-/
Число на вершине стека – это правый операнд (а не левый). Это очень важно дл операций деления, вычитания и возведения в степень, поскольку порядок следования операндов в данном случае имеет значение (в отличие от операций сложения и умножения). Другими словами, операция деления действует следующим образом: сначала в стек помещается числитель, потом знаменатель, и тогда операция даёт правильный результат. Отметим, что преобразовать обратную польскую запись в машинный код очень легко: нужно просто двигаться по формуле в обратной польской записи, записывая по одной команде для каждого символа. Если символ является константой или переменной, нужно вписывать команду помещения этой константы или переменной в стек, если символ является оператором, нужно вписывать команду выполнения это операции.

P.S. Исходные коды вы, как всегда, можете скачать на моём сайте, пока он не ляжет под хабраэффектом.
P.P.S. Теперь все могут написать свой калькулятор. С блэкджеком и скобками.