门 | GATE-CS-2006 |第 77 题

这是一道 GATE-CS-2006 的考题，要求程序员完成一个计算器程序。

题目要求

请生成一个简单的计算器界面，至少要实现以下功能：

• 显示当前输入的数字
• 实现加、减、乘、除四种运算符
• 实现取反、清空、删除、小数点四个功能键
• 在等号键被按下时，计算出最终结果并显示在界面上

完成的程序需要满足以下要求：

• 界面美观、简洁，易于使用
• 键盘和主界面显示需要实时响应用户的输入和操作
• 计算时需要考虑优先级和结合律

实现思路

考虑到实现一个完整功能的计算器程序需要大量的UI设计和算法实现，我们分步骤进行解析，以方便完成该任务。

步骤一：界面设计

我们可以将界面分为以下几部分：

1. 显示区域：用来展示计算器的输入、输出和结果
2. 数字按键区域：包括0~9数字按键和小数点按键
3. 运算符区域：包括加、减、乘、除四种运算符
4. 扩展按键区域：包括删除键、清空键和取反键

步骤二：实现监听器

当用户在计算器上的数字键、运算符键等按键时，对应的事件需要被监听到。在Java中，监听器通常继承 ActionListener 接口或 KeyListener 接口，并把重写的方法注册给需要监听的组件。

步骤三：实现核心计算功能

核心计算功能考虑使用栈（Stack）的数据结构来实现。当数字或操作符被输入时，将其 push 进栈；当等号被按下时，从栈中取出数据进行运算，并将计算结果 push 进栈中。在处理乘除法时，需要考虑优先级和结合律。

步骤四：整合所有模块

把界面、监听器、核心算法模块组合起来，完成计算器程序的实现。

代码实现

我们以Java Swing框架为例，实现一种可供参考的计算器程序代码。完整的代码片段如下：

import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.EventQueue;
import java.awt.Font;
import java.awt.GridLayout;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;

import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JPanel;
import javax.swing.JTextField;
import javax.swing.SwingConstants;

public class Calculator implements ActionListener {

    private JFrame frame;
    private JTextField textField;

    private JButton btnClear;
    private JButton btnBack;
    private JButton btnFlip;
    private JButton btnAdd;
    private JButton btnSubtract;
    private JButton btnMultiply;
    private JButton btnDivide;
    private JButton btnDot;
    private JButton btnEqual;
    private JButton btnZero;
    private JButton btnOne;
    private JButton btnTwo;
    private JButton btnThree;
    private JButton btnFour;
    private JButton btnFive;
    private JButton btnSix;
    private JButton btnSeven;
    private JButton btnEight;
    private JButton btnNine;

    private double firstOperand;
    private String operator;
    private boolean resultDisplayed;

    public static void main(String[] args) {
        EventQueue.invokeLater(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    Calculator window = new Calculator();
                    window.frame.setVisible(true);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }

    public Calculator() {
        initialize();
    }

    private void initialize() {
        frame = new JFrame();
        frame.setBounds(100, 100, 240, 270);
        frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        frame.getContentPane().setLayout(new BorderLayout(0, 0));

        textField = new JTextField();
        textField.setHorizontalAlignment(SwingConstants.RIGHT);
        textField.setFont(new Font("Arial", Font.BOLD, 20));
        frame.getContentPane().add(textField, BorderLayout.NORTH);
        textField.setColumns(10);

        JPanel panel = new JPanel();
        frame.getContentPane().add(panel, BorderLayout.CENTER);
        panel.setLayout(new GridLayout(5, 4, 0, 0));

        btnClear = new JButton("C");
        panel.add(btnClear);

        btnBack = new JButton("←");
        panel.add(btnBack);

        btnFlip = new JButton("+/-");
        panel.add(btnFlip);

        btnDivide = new JButton("/");
        panel.add(btnDivide);

        btnSeven = new JButton("7");
        panel.add(btnSeven);

        btnEight = new JButton("8");
        panel.add(btnEight);

        btnNine = new JButton("9");
        panel.add(btnNine);

        btnMultiply = new JButton("*");
        panel.add(btnMultiply);

        btnFour = new JButton("4");
        panel.add(btnFour);

        btnFive = new JButton("5");
        panel.add(btnFive);

        btnSix = new JButton("6");
        panel.add(btnSix);

        btnSubtract = new JButton("-");
        panel.add(btnSubtract);

        btnOne = new JButton("1");
        panel.add(btnOne);

        btnTwo = new JButton("2");
        panel.add(btnTwo);

        btnThree = new JButton("3");
        panel.add(btnThree);

        btnAdd = new JButton("+");
        panel.add(btnAdd);

        btnZero = new JButton("0");
        panel.add(btnZero);

        btnDot = new JButton(".");
        panel.add(btnDot);

        btnEqual = new JButton("=");
        panel.add(btnEqual);

        initializeListeners();
    }

    private void initializeListeners() {
        btnClear.addActionListener(this);
        btnBack.addActionListener(this);
        btnFlip.addActionListener(this);
        btnDivide.addActionListener(this);
        btnSeven.addActionListener(this);
        btnEight.addActionListener(this);
        btnNine.addActionListener(this);
        btnMultiply.addActionListener(this);
        btnFour.addActionListener(this);
        btnFive.addActionListener(this);
        btnSix.addActionListener(this);
        btnSubtract.addActionListener(this);
        btnOne.addActionListener(this);
        btnTwo.addActionListener(this);
        btnThree.addActionListener(this);
        btnAdd.addActionListener(this);
        btnZero.addActionListener(this);        
        btnDot.addActionListener(this); 
        btnEqual.addActionListener(this);
    }

    private void calculate() {
        double secondOperand = Double.parseDouble(textField.getText());
        String result = "";

        if (operator.equals("+")) {
            result = Double.toString(firstOperand + secondOperand);
        } else if (operator.equals("-")) {
            result = Double.toString(firstOperand - secondOperand);
        } else if (operator.equals("*")) {
            result = Double.toString(firstOperand * secondOperand);
        } else if (operator.equals("/")) {
            result = Double.toString(firstOperand / secondOperand);
        }

        textField.setText(result);
        resultDisplayed = true;
    }

    private void append(String text) {
        if (resultDisplayed) {
            textField.setText("");
            resultDisplayed = false;
        }

        textField.setText(textField.getText() + text);
    }

    @Override
    public void actionPerformed(ActionEvent event) {
        String input = ((JButton) event.getSource()).getText();

        switch (input) {

            case "C":
                textField.setText("");
                resultDisplayed = false;
                break;

            case "←":
                String currentText = textField.getText();
                if (currentText.length() > 0) {
                    textField.setText(currentText.substring(0, currentText.length() - 1));
                }
                break;

            case "+/-":
                if (textField.getText().length() > 0 && !textField.getText().equals("0")) {
                    double value = Double.parseDouble(textField.getText());
                    value *= -1;
                    textField.setText(Double.toString(value));
                }
                break;

            case "+":
            case "-":
            case "*":
            case "/":
                if (!resultDisplayed) {
                    operator = input;
                    firstOperand = Double.parseDouble(textField.getText());
                    textField.setText("");
                }
                break;

            case ".":
                if (!textField.getText().contains(".")) {
                    append(".");
                }
                break;

            case "0":
            case "1":
            case "2":
            case "3":
            case "4":
            case "5":
            case "6":
            case "7":
            case "8":
            case "9":
                append(input);
                break;

            case "=":
                if (!resultDisplayed) {
                    calculate();
                }
                break;

            default:
                break;

        }
    }
}

总结

计算器程序是一个比较基础的小项目，但却涵盖了UI设计、监听器、算法等诸多重要知识点。通过完成该任务，可以加深对这些知识点的理解和运用，提高程序员的实际开发能力。