ExprTK 使用：从入门到避坑

什么是 ExprTK？

ExprTK 是一个 C++ 数学表达式解析和求值库，可以在运行时解析和计算字符串形式的数学表达式。简单来说，它能让你的程序像计算器一样执行用户输入的公式。

基础使用

1. 最简单的例子

#include "exprtk.hpp"

int main() {
    typedef exprtk::expression<double> expression_t;
    typedef exprtk::parser<double> parser_t;
    
    std::string expression_string = "3 + 4 * 2";
    
    expression_t expression;
    parser_t parser;
    
    if (parser.compile(expression_string, expression)) {
        double result = expression.value();
        std::cout << "结果: " << result << std::endl;  // 输出 11
    }
}

2. 使用变量

double x = 5.0;
double y = 3.0;

exprtk::symbol_table<double> symbol_table;
symbol_table.add_variable("x", x);
symbol_table.add_variable("y", y);

expression_t expression;
expression.register_symbol_table(symbol_table);

parser_t parser;
std::string expr_str = "x * y + 10";

if (parser.compile(expr_str, expression)) {
    double result = expression.value();  // 结果为 25
}

3. 使用内置函数

ExprTK 支持丰富的内置函数：

"sin(x) + cos(y)"
"sqrt(x^2 + y^2)"
"abs(x - y)"
"max(x, y, z)"
"if(x > 0, x, -x)"  // 条件表达式

常见的坑

坑1：变量生命周期问题

错误示例：

void bad_example() {
    exprtk::symbol_table<double> symbol_table;
    {
        double x = 10.0;
        symbol_table.add_variable("x", x);
    }  // x 在这里被销毁了！
    
    expression_t expression;
    expression.register_symbol_table(symbol_table);
    // 此时访问 x 会导致未定义行为
}

正确做法： 确保变量的生命周期长于 expression 的使用周期。

坑2：忘记检查编译错误

// 错误做法
parser.compile(expr_str, expression);
double result = expression.value();  // 如果编译失败，这里会出问题

// 正确做法
if (!parser.compile(expr_str, expression)) {
    std::cout << "错误: " << parser.error() << std::endl;
    return;
}

坑3：重复编译的性能问题

如果需要多次计算同一个表达式（只是变量值不同），不要每次都重新编译：

// 低效
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    x = i;
    parser.compile(expr_str, expression);  // 每次都编译，太慢！
    result = expression.value();
}

// 高效
parser.compile(expr_str, expression);  // 只编译一次
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    x = i;
    result = expression.value();  // 直接求值
}

坑4：字符串表达式的转义

// 错误
std::string expr = "if(x>0, "positive", "negative")";  // 引号冲突

// 正确
std::string expr = "if(x>0, 'positive', 'negative')";  // 用单引号
// 或者
std::string expr = R"(if(x>0, "positive", "negative"))";  // 原始字符串

坑5：浮点数比较

// 不推荐
"if(x == 0.1, ...)"  // 浮点数精度问题

// 推荐
"if(abs(x - 0.1) < 0.0001, ...)"  // 使用容差比较

实用技巧

添加常量

symbol_table.add_constant("pi", 3.14159265359);
symbol_table.add_constant("e", 2.71828182846);

使用向量

std::vector<double> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
symbol_table.add_vector("v", vec);

// 表达式中使用
"sum(v)"  // 求和
"avg(v)"  // 平均值
"v[2]"    // 访问元素（从0开始）

自定义函数

template <typename T>
struct my_function : public exprtk::ifunction<T> {
    my_function() : exprtk::ifunction<T>(2) {}  // 2个参数
    
    T operator()(const T& x, const T& y) {
        return x * x + y * y;
    }
};

my_function<double> mf;
symbol_table.add_function("my_func", mf);

性能优化建议

1. 预编译表达式：编译一次，多次求值
2. 使用引用传递：add_variable 是引用语义，修改原变量即可
3. 避免不必要的字符串操作：直接使用 const char* 而不是频繁构造 std::string
4. 考虑使用编译器优化：开启 -O3 优化选项

总结

ExprTK 是一个功能强大的表达式求值库，适合需要动态计算公式的场景。使用时注意变量生命周期、错误检查和性能优化，就能发挥它的最大价值。

记住核心原则：编译一次，多次求值；变量生命周期要足够长；始终检查编译错误。