golang/golang-learning/10-projects/01-calculator/calculator/calculator.go

/*
calculator.go - 计算器核心逻辑
实现了基本的四则运算和括号运算功能
*/

package calculator

import (
	"fmt"
	"strconv"
	"strings"
)

// Calculator 接口定义了计算器的基本功能
type Calculator interface {
	Calculate(expression string) (float64, error)
	GetHistory() []HistoryRecord
	ClearHistory()
}

// BasicCalculator 基本计算器实现
type BasicCalculator struct {
	history []HistoryRecord
}

// NewCalculator 创建新的计算器实例
func NewCalculator() Calculator {
	return &BasicCalculator{
		history: make([]HistoryRecord, 0),
	}
}

// Calculate 计算数学表达式
func (c *BasicCalculator) Calculate(expression string) (float64, error) {
	// 清理输入
	expr := strings.ReplaceAll(expression, " ", "")
	if expr == "" {
		return 0, fmt.Errorf("表达式不能为空")
	}

	// 验证表达式
	if err := c.validateExpression(expr); err != nil {
		return 0, err
	}

	// 解析和计算
	result, err := c.evaluateExpression(expr)
	if err != nil {
		return 0, err
	}

	// 添加到历史记录
	c.addToHistory(expression, result)

	return result, nil
}

// GetHistory 获取计算历史
func (c *BasicCalculator) GetHistory() []HistoryRecord {
	// 返回历史记录的副本
	history := make([]HistoryRecord, len(c.history))
	copy(history, c.history)
	return history
}

// ClearHistory 清空历史记录
func (c *BasicCalculator) ClearHistory() {
	c.history = make([]HistoryRecord, 0)
}

// validateExpression 验证表达式的有效性
func (c *BasicCalculator) validateExpression(expr string) error {
	if len(expr) == 0 {
		return fmt.Errorf("表达式不能为空")
	}

	// 检查括号匹配
	parentheses := 0
	for _, char := range expr {
		switch char {
		case '(':
			parentheses++
		case ')':
			parentheses--
			if parentheses < 0 {
				return fmt.Errorf("括号不匹配")
			}
		}
	}

	if parentheses != 0 {
		return fmt.Errorf("括号不匹配")
	}

	// 检查有效字符
	validChars := "0123456789+-*/.() "
	for _, char := range expr {
		if !strings.ContainsRune(validChars, char) {
			return fmt.Errorf("包含无效字符: %c", char)
		}
	}

	// 检查连续运算符
	operators := "+-*/"
	for i := 0; i < len(expr)-1; i++ {
		if strings.ContainsRune(operators, rune(expr[i])) &&
			strings.ContainsRune(operators, rune(expr[i+1])) {
			return fmt.Errorf("连续的运算符")
		}
	}

	return nil
}

// evaluateExpression 计算表达式的值
func (c *BasicCalculator) evaluateExpression(expr string) (float64, error) {
	// 处理括号
	for strings.Contains(expr, "(") {
		// 找到最内层的括号
		start := -1
		for i, char := range expr {
			if char == '(' {
				start = i
			} else if char == ')' {
				if start == -1 {
					return 0, fmt.Errorf("括号不匹配")
				}

				// 计算括号内的表达式
				subExpr := expr[start+1 : i]
				subResult, err := c.evaluateSimpleExpression(subExpr)
				if err != nil {
					return 0, err
				}

				// 替换括号表达式为结果
				expr = expr[:start] + fmt.Sprintf("%g", subResult) + expr[i+1:]
				break
			}
		}
	}

	// 计算简单表达式（无括号）
	return c.evaluateSimpleExpression(expr)
}

// evaluateSimpleExpression 计算简单表达式（无括号）
func (c *BasicCalculator) evaluateSimpleExpression(expr string) (float64, error) {
	if expr == "" {
		return 0, fmt.Errorf("空表达式")
	}

	// 解析表达式为标记
	tokens, err := c.tokenize(expr)
	if err != nil {
		return 0, err
	}

	if len(tokens) == 0 {
		return 0, fmt.Errorf("空表达式")
	}

	// 如果只有一个标记，直接返回数值
	if len(tokens) == 1 {
		return strconv.ParseFloat(tokens[0], 64)
	}

	// 先处理乘法和除法
	for i := 1; i < len(tokens); i += 2 {
		if i >= len(tokens) {
			break
		}

		operator := tokens[i]
		if operator == "*" || operator == "/" {
			left, err := strconv.ParseFloat(tokens[i-1], 64)
			if err != nil {
				return 0, fmt.Errorf("无效的数字: %s", tokens[i-1])
			}

			right, err := strconv.ParseFloat(tokens[i+1], 64)
			if err != nil {
				return 0, fmt.Errorf("无效的数字: %s", tokens[i+1])
			}

			var result float64
			if operator == "*" {
				result = left * right
			} else {
				if right == 0 {
					return 0, fmt.Errorf("除零错误")
				}
				result = left / right
			}

			// 替换三个标记为结果
			newTokens := make([]string, 0, len(tokens)-2)
			newTokens = append(newTokens, tokens[:i-1]...)
			newTokens = append(newTokens, fmt.Sprintf("%g", result))
			newTokens = append(newTokens, tokens[i+2:]...)
			tokens = newTokens
			i -= 2 // 调整索引
		}
	}

	// 再处理加法和减法
	result, err := strconv.ParseFloat(tokens[0], 64)
	if err != nil {
		return 0, fmt.Errorf("无效的数字: %s", tokens[0])
	}

	for i := 1; i < len(tokens); i += 2 {
		if i+1 >= len(tokens) {
			break
		}

		operator := tokens[i]
		operand, err := strconv.ParseFloat(tokens[i+1], 64)
		if err != nil {
			return 0, fmt.Errorf("无效的数字: %s", tokens[i+1])
		}

		switch operator {
		case "+":
			result += operand
		case "-":
			result -= operand
		default:
			return 0, fmt.Errorf("未知的运算符: %s", operator)
		}
	}

	return result, nil
}

// tokenize 将表达式分解为标记
func (c *BasicCalculator) tokenize(expr string) ([]string, error) {
	var tokens []string
	var current strings.Builder

	for i, char := range expr {
		switch char {
		case '+', '-', '*', '/':
			// 处理负号
			if char == '-' && (i == 0 || expr[i-1] == '(' || strings.ContainsRune("+-*/", rune(expr[i-1]))) {
				current.WriteRune(char)
				continue
			}

			// 保存当前数字
			if current.Len() > 0 {
				tokens = append(tokens, current.String())
				current.Reset()
			}

			// 保存运算符
			tokens = append(tokens, string(char))

		case ' ':
			// 忽略空格
			continue

		default:
			// 数字或小数点
			current.WriteRune(char)
		}
	}

	// 保存最后的数字
	if current.Len() > 0 {
		tokens = append(tokens, current.String())
	}

	return tokens, nil
}

// addToHistory 添加计算记录到历史
func (c *BasicCalculator) addToHistory(expression string, result float64) {
	record := HistoryRecord{
		Expression: expression,
		Result:     result,
	}
	c.history = append(c.history, record)

	// 限制历史记录数量
	const maxHistory = 100
	if len(c.history) > maxHistory {
		c.history = c.history[len(c.history)-maxHistory:]
	}
}