20162120 《Python程序设计》实验二 实验报告
20162120 2019-2020-2 《Python程序设计》实验二报告
课程：《Python程序设计》
班级： 1621
姓名： 郑智辉
学号：20162120
实验教师：王志强
实验日期：2020年4月11日
必修/选修： 公选课
1.实验内容
（1）设计并完成一个完整的应用程序，完成加减乘除模等运算，功能多多益善。
（2）考核基本语法、判定语句、循环语句、逻辑运算等知识点。
2. 实验过程及结果
（1）设计思路
该实验目标是制作一个计算器，能够完成加减乘除、求余等运算，我选择参考手机系统自带的计算器进行实现。简单的运算能够使用运算符直接计算，开平方根等复杂运算通过Python的标准库math实现。另一方面，使用pyqt5实现计算器的UI界面，便于用户使用和规范用户输入。输入完成后，对字符串进行识别并完成相应的计算过程。在设计阶段设想能否在用户输入的同时处理算式，简化代码，但由于要给用户提供退格功能，无法实现这个设想。于是采用了大三在编译原理课程上学到的知识：使用符号优先表和双栈算法来解决此问题。
（2）算法逻辑
双栈算法，即“边存边看，边走边算”，设置符号栈和数字栈，符号栈中存储运算符，数字栈中存储数字。同时设置符号优先表，为所有可能出现的符号设置优先级。程序从左到右扫描算式，遇到数字则将其压进数字栈；遇到符号则比较该符号与符号栈栈顶元素的优先级，若当前符号的优先级高，则将其压栈，否则取数字栈栈顶元素，与符号一起完成计算，并将结果压入数字栈。迭代整个过程，直到算式被识别完毕。
（3）主要代码介绍
部分代码有参考。
报告中只贴出了部分代码，全部代码已上传码云：运算部分，用户界面部分（使用qt designer生成.ui文件，通过pyqt5库将其转换为.py文件）
- 计算函数：
完成数字、运算符弹栈后的计算操作，阶乘、对数、开平方根等复杂运算通过math库完成
import math
def calculate(operator, n1, n2=0):
"""
:param n1: float
:param n2: float
:param operator: + - * / ^ % ! lg ln √
:return: float
"""
if operator == "+":
return n1 + n2
if operator == "-":
return n1 - n2
if operator == "*":
return n1 * n2
if operator == "/":
return n1 / n2
if operator == '^':
return n1 ** n2
if operator == '%':
return n1 % n2
if operator == '!':
return math.factorial(n1)
if operator == 'lg':
return math.log10(n1)
if operator == 'ln':
return math.log(n1)
if operator == '√':
return math.sqrt(n1)
return 0
- 符号优先级判断函数：
根据符号优先表，对比判断当前符号与符号栈栈顶符号的优先级，对数运算与平方根运算是一元运算，因此比乘、除等二元运算优先级高。
def decision(last_op, new_op):
"""
:param last_op: 运算符栈的最后一个运算符
:param new_op: 从算式列表取出的当前运算符
:return: 1 代表弹栈运算，0 代表弹运算符栈最后一个元素， -1 表示入栈
"""
# 定义5种运算符级别
grade1 = ['+', '-']
grade2 = ['*', '/', '%', '!', '^']
grade3 = ['lg', 'ln', '√']
grade4 = ['(']
grade5 = [')']
if last_op in grade1:
if new_op in grade2 or new_op in grade3 or new_op in grade4:
# 说明连续两个运算优先级不一样，需要入栈
return -1
else:
return 1
elif last_op in grade2:
if new_op in grade3 or new_op in grade4:
return -1
else:
return 1
elif last_op in grade3:
if new_op in grade4:
return -1
else:
return 1
elif last_op in grade4:
if new_op in grade5:
return 0 # ( 遇上 ) 需要弹出 (，丢掉 )
else:
return -1 # 只要栈顶元素为(，当前元素不是)都应入栈。
else:
return -1
- 过程函数：
实现了双栈算法的函数，主要思路如上文所述。与二元运算不同的是，对数运算、平方根运算等一元运算只需要数字栈栈顶的一个元素即可。另外由于乘方运算的特殊性，函数中代表乘方运算的“!”符号一旦出现，就与数字栈栈顶的元素一起完成运算，并将结果压入数字栈，即乘方运算是不进入符号栈的。
def final_calc(formula_list):
num_stack = [] # 数字栈
op_stack = [] # 运算符栈
for e in formula_list:
operator = is_operator(e)
if not operator:
# 压入数字栈
# 字符串转换为符点数
num_stack.append(float(e))
else:
# 如果是运算符
while True:
# 如果该运算符是“！”，则不进入符号栈，马上算出数字栈栈顶元素的乘方，并将结果压入数字栈
if e == '!':
num1 = num_stack.pop()
num_stack.append(calculate(e, num1))
break
# 如果运算符栈等于0无条件入栈
if len(op_stack) == 0:
op_stack.append(e)
break
# decision 函数做决策
tag = decision(op_stack[-1], e)
if tag == -1:
# 如果是-1压入运算符栈进入下一次循环
op_stack.append(e)
break
elif tag == 0:
# 如果是0弹出运算符栈内最后一个(, 丢掉当前)，进入下一次循环
op_stack.pop()
break
elif tag == 1:
# 如果是1弹出运算符栈内最后两个元素，弹出数字栈最后两位元素。
op = op_stack.pop()
if op == 'lg' or op == 'ln' or op == '√':
num1 = num_stack.pop()
num_stack.append(calculate(op, num1))
else:
num2 = num_stack.pop()
num1 = num_stack.pop()
# 执行计算
# 计算之后压入数字栈
num_stack.append(calculate(op, num1, num2))
# 处理大循环结束后 数字栈和运算符栈中可能还有元素 的情况
while len(op_stack) != 0:
op = op_stack.pop()
if op == 'lg' or op == 'ln' or op == '√':
num1 = num_stack.pop()
num_stack.append(calculate(op, num1))
else:
num2 = num_stack.pop()
num1 = num_stack.pop()
# 执行计算
# 计算之后压入数字栈
num_stack.append(calculate(op, num1, num2))
return num_stack, op_stack
- 用户界面
使用pyqt5库和qt designer，仿照手机计算器完成的用户界面。
class MyWindows(QtWidgets.QMainWindow, Ui_MainWindow):
def __init__(self, parent=None):
# 忽略pycharm检测失误导致的警告信息↓
# noinspection PyArgumentList
QtWidgets.QMainWindow.__init__(self, parent)
self.setupUi(self)
self.e = str(math.e)
self.pi = str(math.pi)
self.zero_button.clicked.connect(lambda: self.get_formula('0'))
self.one_button.clicked.connect(lambda: self.get_formula('1'))
self.two_button.clicked.connect(lambda: self.get_formula('2'))
# 共29个按键，隐藏部分相似代码，全部代码见上文中的码云链接
self.clear.clicked.connect(self.clean_screen)
self.back_space.clicked.connect(self.delete_char)
self.equa_button.clicked.connect(self.get_result)
self.formula = ''
def set_cursor(self):
# 设置输出框游标
self.showout.ensureCursorVisible()
cursor = self.showout.textCursor()
pos = len(self.showout.toPlainText())
cursor.setPosition(pos)
self.showout.setTextCursor(cursor)
def get_formula(self, param):
# 获取输入
if param == 'lg' or param == 'ln':
temp_param = param + '('
elif param == 're':
temp_param = '^(-1)'
else:
temp_param = param
self.formula += temp_param
self.showout.insertPlainText(temp_param)
self.set_cursor()
# print(self.formula)
def clean_screen(self):
# 清空输出框
self.formula = ''
self.showout.clear()
self.set_cursor()
def delete_char(self):
# 退格
self.showout.ensureCursorVisible()
cursor = self.showout.textCursor()
cursor.deletePreviousChar()
self.formula = self.formula[:-1]
def get_result(self):
# 运算
formula_list = formula_format(self.formula)
# print(formula_list)
result, _ = final_calc(formula_list)
# print(result[0])
show_result = '=' + str(result[0])
self.showout.append(show_result)
self.formula = ''
self.showout.insertPlainText('\n')
self.set_cursor()
if __name__ == '__main__':
app = QtWidgets.QApplication(sys.argv)
main_window = MyWindows()
main_window.setFixedSize(main_window.width(), main_window.height())
main_window.show()
sys.exit(app.exec_())
在qt designer中设计的.ui文件如下图所示：
（4）程序结果
如下图所示，图片左边为我的程序结果，右边为手机计算器的运算结果。从两者对比来看，本程序的运算能力有所保障。
3. 实验过程中遇到的问题和解决过程
- 问题1：输出框不能自动滚动到最底部
- 问题1解决方案：在博客园找到了解决方案，虽然不完全贴合我的情况，但稍加改动后就实现了想要的效果。
- 问题2：不知道如何实现退格功能
- 问题2解决方案：在一位大佬的个人博客里找到了实现的方法，在文章大概中间的位置介绍了如何实现QTextEdit的两种删除操作。
- 问题3：在pyqt5启动的用户界面下，程序运算出错时进程会直接崩溃退出，且不会在cmd中trace back，给debug带来了很多麻烦。
- 问题3解决方案：不要直接运行，而是使用调试模式，这样出错能够看到trace back。这也提醒了我在调试程序阶段不要直接运行，使用调试模式更稳妥。
其他（感悟、思考等）
- 趁着这次实验，复习了一年前学习的编译原理相关知识，再次感受到了有效、高效的算法是多么的强大。
- 个人感觉这次实验难度不大，但能够这么快完成，得多谢前人留下的经验教训和简洁易懂的代码。写程序不必重复造轮子，但必须会造轮子。在参考别人的成果时，只是复制粘贴对自己的无益的，必须在充分理解算法的含义，才能促进自己成长。
