初学C语言，写给自己的第一个实用程序

计算器：第一个实用程序

在 C 语言编程的学习之路上，同学们在了解基本概念，掌握基础语法之后，一定跃跃欲试想要给自己开发一款有意义的实用程序。

编程实现计算器是一个不错的选择。因为它难度适中，需要用到的知识又恰好涵盖了 C 语言的基本关键点，还具有一定的实用性，是 C 语言初学者比较适合的练手项目。

在进行下一步练习之前，同学们先对照一下自己是否掌握以下知识：

• 数据类型：整型、字符型、浮点型、枚举、数组、结构体，以及指针等；
• 基本语句：顺序、循环、分支、跳转等；
• 算术运算：加、减、乘、除等；
• 输入输出处理：字符串的格式化输入输出，实现命令行交互。

如果上述知识点都已经掌握，那么我们来考察一下计算器程序都有哪些功能。

大家都使用过手持式计算器，它有一个窗口可以显示输入的数字和计算的结果，还有若干包含数字和运算符的按键，我们通过按键输入数字和运算符完成计算。

以手持式计算器作为参考，我们可以将程序设计为命令行式交互，接收键盘输入的数字和运算符，计算后将结果显示在屏幕上。这里面需要考虑如何对四则运算表达式求值、数据的验证、交互的友好性等问题。

我们现在开始手撸一个计算器程序吧。

手写计算器

在动手写代码前，我们要先确定具体要实现的功能。因为在没想清楚时就一头扎到代码的细节里，写着就会发现难度比自己想象中要大。例如四则运算的混合运算就要判断运算符的优先级，这对于初学者来说实现起来并不容易。

所以我们可以遵循最小可用原则，即规划功能尽量从简单实现开始，但要保证核心功能是完备的。在完成一个版本之后，再增加复杂度，不断迭代前进。

这样既可以保证每一步都能得到可用的程序，还让自己的信心逐渐增强。对于第一版计算器程序，规划以下核心功能：

• 只实现两个数之间的四则运算；
• 输入序列为[第一个数] [运算符号] [第二个数]；
• 使用switch-case分支语句处理计算逻辑；
• 对无效数字和无效符号进行判断。

根据上述功能规划，实现的第一版程序，同学们可以参考一下。

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    double num1, num2, result;  // 声明变量
    char op;

    printf("请输入第一个数字：");
    scanf("%lf", &num1);

    printf("请输入运算符：");
    scanf(" %c", &op);

    printf("请输入第二个数字：");
    scanf("%lf", &num2);

    switch(op) {  // 根据运算符进行相应运算
        case '+':
            result = num1 + num2;
            break;
        case '-':
            result = num1 - num2;
            break;
        case '*':
            result = num1 * num2;
            break;
        case '/':
            if(num2 == 0) {  // 处理除数为0的情况
                printf("错误：除数不能为0\n");
                exit(1);
            }
            result = num1 / num2;
            break;
        default:  // 处理无效运算符的情况
            printf("错误：%c 是无效运算符\n", op);
            exit(1);
    }

    printf("%.2f %c %.2f = %.2f\n", num1, op, num2, result);

    return 0;
}
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审查上述代码，我们以double类型来定义待计算的变量，以char类型将运算符作为字符型存储，然后通过switch-case条件分支语句对运算符进行识别并处理。

我们可以在 Linux 环境下使用 gcc 工具编译、运行调试、测试示例代码。

正常运行示例：

错误的符号运行示例，判断出&是无效字符：

判断出除数不能为零的错误运行示例：

至此，一个能完成两个数之间四则运算的简单计算器程序就开发好了。同学们一定会发现这个程序还有许多地方是可以优化的，例如输入的不是数字，而是字符串，会发生什么？或者交互方式是不是还可以更加友好一些？

所有有待改进之处，同学们都可以去积极探索。接下来我们就将挑战一个更有难度的功能，就是如何实现复杂表达式的计算。

更进一步：复杂表达式的计算

作为一款实用计算器，要能够依据运算符的优先级，实现对多个数的混合四则运算，并且还能支持括号的优先级处理。

这里需要引入一个数据结构——栈（stack），它的特点是“先进后出”，只能在栈顶执行压入（push）和弹出（pop）操作。我们需要创建两个栈：一个操作数栈和一个运算符栈。简单起见，栈可以用数组来实现。

有了栈之后，就要对表达式进行解析，通过对运算符和操作数的入栈、出栈操作，完成整个表达式的计算工作。根据运算符和括号的优先级顺序，从左至右遍历表达式，下面以伪代码的形式说明求值规则。

#define STACK_SIZE 128

double eval_expr(char* expr) {
	// 定义运算符栈和操作数栈
	char op_stack[STACK_SIZE];
	double num_stack[STACK_SIZE];
    
    对于每个token in expr:
        如果 token 是操作数:
            将 token 解析为操作数，并压入 num_stack
        如果 token 是运算符:
            当 op_stack 非空 且 栈顶运算符的优先级 >= token 的优先级:
                弹出栈顶运算符，从 num_stack 弹出两个操作数进行运算，并将结果压入 num_stack
            将 token 压入 op_stack
    
    当 op_stack 非空:
        弹出栈顶运算符，从 num_stack 弹出两个操作数进行运算，并将结果压入 num_stack
    
    return num_stack 的栈顶元素
}

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为了更好地理解 ，来观察一个混合运算示例：“3 * 4 + (2 - 1) / 5 ^ 2”。

// 在“3 * 4”入栈后，栈中数据如下
num_stack = [3, 4];
op_stack = [*];
// 遇到 + 号，它的优先级低于 * 号，暂停入栈，将 3 * 4 出栈先行计算，再将结果12入栈
num_stack = [12];
op_stack = [+];
// “(2-1”入栈之后数据如下
num_stack = [12, 2, 1];
op_stack = [+, (, -];
// 遇到右括号，停止入栈，要匹配左括号，并弹出栈中数据进行计算
num_stack = [12, 1];
op_stack = [+];
// “/5^2”入栈后数据如下
num_stack = [12, 1, 5, 2];
op_stack = [+, /, ^];
// 接下来依次对出栈数据进行计算，得到结果
num_stack = [12.04];
op_stack=[];
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同学们可以在上一节完整示例的基础上添加功能，将伪代码改写为具体的功能实现。这个功能更为复杂，实现的时候需要保持耐心，把握住细节，同时多考虑错误处理和异常情况。

通过这个主题，同学们了解如何使用 C 语言构建一个简单的计算器，并掌握处理用户输入、表达式解析和求值的基本技术。同时可以进一步扩展计算器的功能或进行其他有趣的项目，以便继续发展和挑战自己。