一文了解如何用 Java 进行算术表达式计算

（给ImportNew加星标，提高Java技能）

编译：ImportNew/唐尤华

如何用Java计算"5+3"、"10-40"、"10*3"这样的算术表达式？本文介绍了可使用的常见方法及各自优缺点。

1. JDK Javascript引擎

JDK1.6开始，提供了Javascript脚本引擎。可以把 String 形式的字符串通过 engine.eval() 方法执行计算。示例如下：

import javax.script.ScriptEngineManager;
import javax.script.ScriptEngine;
import javax.script.ScriptException;

public class Test {
  public static void main(String[] args) throws ScriptException {
    ScriptEngineManager mgr = new ScriptEngineManager();
    ScriptEngine engine = mgr.getEngineByName("JavaScript");
    String foo = "40+2";
    System.out.println(engine.eval(foo));
    }
}

Java中的ScriptEngine理论上支持符合ECMAScript规范的语言。要确认当前Java支持哪些语言，可以执行下列代码：

import java.util.List;
import javax.script.ScriptEngineManager;
import javax.script.ScriptEngine;
import javax.script.Bindings;
import javax.script.ScriptContext;
import javax.script.ScriptEngineFactory;


public class Test {

public static void main(String[] args)
{
    ScriptEngineManager mgr = new ScriptEngineManager();
    List<ScriptEngineFactory> factories = mgr.getEngineFactories();
    for (ScriptEngineFactory factory : factories)
    {
        System.out.println("ScriptEngineFactory Info");
        String engName = factory.getEngineName();
        String engVersion = factory.getEngineVersion();
        String langName = factory.getLanguageName();
        String langVersion = factory.getLanguageVersion();
        System.out.printf("\tScript Engine: %s (%s)\n", engName, engVersion);
        List<String> engNames = factory.getNames();
        for (String name : engNames)
        {
            System.out.printf("\tEngine Alias: %s\n", name);
        }
        System.out.printf("\tLanguage: %s (%s)\n", langName, langVersion);
        }
    }
}

执行完毕会看到ScriptEngine支持的语言。在我的机器上（java version "1.8.0_191"）运行会看到下面的结果：

ScriptEngineFactory Info
  Script Engine: Oracle Nashorn (1.8.0_191)
  Engine Alias: nashorn
  Engine Alias: Nashorn
  Engine Alias: js
  Engine Alias: JS
  Engine Alias: JavaScript
  Engine Alias: javascript
  Engine Alias: ECMAScript
  Engine Alias: ecmascript
  Language: ECMAScript (ECMA - 262 Edition 5.1)

JDK支持的JavaScript来自Mozilla Rhino ECMAScript。Rhino 是一个完全使用Java语言编写的开源JavaScript实现。Rhino通常用在Java程序中，为最终用户提供脚本化能力。它被作为J2SE 6上的默认Java脚本化引擎。

既然支持脚本，那么就不仅限于普通的算术运算符，还可以使用Javascript中的Math函数。比如像下面这样：

String foo = "Math.cos(60)+Math.sin(30)";
System.out.println(engine.eval(foo));
// 输出 -1.9404446045080181

还可以支持变量。比如上面的例子中，两个角度分别用变量表示：

    engine.put("angle1", 60);
    engine.put("angle2", 30);
    String bar = "Math.cos(angle1)+Math.sin(angle2)";
System.out.println(engine.eval(bar));
// 输出 -1.9404446045080181

这种方法的缺点在于，脚本本身可能有潜在的安全性问题，容易收到攻击。不推荐在服务端使用。

2. 第三方开发库

在Java的世界里，永远有丰富的第三方开发库可供选择，计算算术表达式也一样。下面列举一些常用的开发库。

JEXL

http://commons.apache.org/proper/commons-jexl/

Java Expression Language (JEXL) 是一个表达式语言引擎，可以用来在应用或者框架中使用。使用示例：

// 假设有一个名为 jexl 的类, 初始化了 JexlEngine 实例:
    // 创建一个表达式对象进行计算
    String calculateTax = taxManager.getTaxCalc(); //e.g. "((G1 + G2 + G3) * 0.1) + G4";
    Expression e = jexl.createExpression( calculateTax );

    // 填写上下文
    JexlContext context = new MapContext();
    context.set("G1", businessObject.getTotalSales());
    context.set("G2", taxManager.getTaxCredit(businessObject.getYear()));
    context.set("G3", businessObject.getIntercompanyPayments());
    context.set("G4", -taxManager.getAllowances());
    // ...

    // 得到计算结果
    Number result = (Number) e.evaluate(context);

更多内容可参见官网示例。

mXparser

http://mathparser.org/

mXparser的优点是支持多平台，Java、Android、dotNET等。

使用示例：

package mxparser.helloworld;
 
import org.mariuszgromada.math.mxparser.*;
 
public class HelloWorld {
   public static void main(String[] args) {
      Expression eh = new Expression("5^2 * 7^3 * 11^1 * 67^1 * 49201^1");
      Expression ew = new Expression("71^1 * 218549^1 * 6195547^1");
      String h = mXparser.numberToAsciiString( eh.calculate() );
      String w = mXparser.numberToAsciiString( ew.calculate() );
      mXparser.consolePrintln(h + " " + w);
   }
}

EvalEx

https://github.com/uklimaschewski/EvalEx

使用示例：

    new Expression("123456789 + 123456789").eval(); // 246913600

    new Expression("123456789 + 123456789")
            .setPrecision(12)
            .eval(); // 246913578

用于Java算术表达式计算的第三方库还有许多，这里不再一一列举。

3. 自己动手

要计算算术表达式计算，还可以自己动手实现Parser。有许多有名的算法，比如Dijkstra的双堆栈算法计算表达式。参考实现如下：

/******************************************************************************
 *  Compilation:  javac Evaluate.java
 *  Execution:    java Evaluate
 *  Dependencies: Stack.java
 *
 *  Evaluates (fully parenthesized) arithmetic expressions using
 *  Dijkstra's two-stack algorithm.
 *
 *  % java Evaluate
 *  ( 1 + ( ( 2 + 3 ) * ( 4 * 5 ) ) )
 *  101.0
 *
 *  % java Evaulate
 *  ( ( 1 + sqrt ( 5 ) ) / 2.0 )
 *  1.618033988749895
 *
 *
 *  Note: the operators, operands, and parentheses must be
 *  separated by whitespace. Also, each operation must
 *  be enclosed in parentheses. For example, you must write
 *  ( 1 + ( 2 + 3 ) ) instead of ( 1 + 2 + 3 ).
 *  See EvaluateDeluxe.java for a fancier version.
 *
 *
 *  Remarkably, Dijkstra's algorithm computes the same
 *  answer if we put each operator *after* its two operands
 *  instead of *between* them.
 *
 *  % java Evaluate
 *  ( 1 ( ( 2 3 + ) ( 4 5 * ) * ) + )
 *  101.0
 *
 *  Moreover, in such expressions, all parentheses are redundant!
 *  Removing them yields an expression known as a postfix expression.
 *  1 2 3 + 4 5 * * +
 *
 *
 ******************************************************************************/

public class Evaluate {
    public static void main(String[] args) {
        Stack<String> ops  = new Stack<String>();
        Stack<Double> vals = new Stack<Double>();

        while (!StdIn.isEmpty()) {
            String s = StdIn.readString();
            if      (s.equals("("))               ;
            else if (s.equals("+"))    ops.push(s);
            else if (s.equals("-"))    ops.push(s);
            else if (s.equals("*"))    ops.push(s);
            else if (s.equals("/"))    ops.push(s);
            else if (s.equals("sqrt")) ops.push(s);
            else if (s.equals(")")) {
                String op = ops.pop();
                double v = vals.pop();
                if      (op.equals("+"))    v = vals.pop() + v;
                else if (op.equals("-"))    v = vals.pop() - v;
                else if (op.equals("*"))    v = vals.pop() * v;
                else if (op.equals("/"))    v = vals.pop() / v;
                else if (op.equals("sqrt")) v = Math.sqrt(v);
                vals.push(v);
            }
            else vals.push(Double.parseDouble(s));
        }
        StdOut.println(vals.pop());
    }
}

总结

用Java进行算术表达式计算可以采用JDK提供的Javascript引擎、第三方库，也可以使用自定义Parser。可以根据自己的需要和项目特点自行选择合适解决方案。

祝编程愉快！

参考文章

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