《Python程序设计》实验二报告

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。