Minha resposta não vai ser em C, mas espero ajudar numa possível implementação nesta linguagem. ;)
Na maioria das linguagens compiláveis, seja em "código de máquina" ou bytecode, há esse problema relacionado à interpretação de fórmulas ou funções de variáveis.
Na época da faculdade eu fiz um interpretador de funções matemáticas com variáveis em Delphi para a matéria de pesquisa operacional e a usei em vários algoritmos de otimização onde você poderia digitar uma função e o programa encontrava o(s) ponto(s) máximo(s) e/ou mínimo(s) dela. Não é tão complicado quanto parece. Uma pena não ter o código-fonte em mãos agora.
Algum tempo depois, já trabalhando com Java, fiz uma outra implementação de uma classe para facilitar a interpretação de expressões simples. Nunca cheguei a usar em produção, então acabou ficando na fase de protótipo, isto é, não foi extensivamente testada, está sujeita a bugs e somente suporta as operações matemáticas mais básicas. Além disso, essa implementação foi feita para Java 1.4, então ela também não usa vários recursos novos da linguagem. Tenho certeza que esse código poderia ser muito melhor, mas talvez ajude para que possa ser criada uma versão em C++.
import java.math.BigDecimal;
import java.text.MessageFormat;
/**
* Calcula o resultado de uma dada expressão, de acordo com os coeficientes definidos.
*
* A expressão é uma fórmula matemática válida, podendo conter os coeficiente (variáveis),
* operadores ("+", "-", "*", "/" e "^" -> adição, subtração, multiplicação, divisão e
* potenciação) e parêntesis.
*
* Os coeficientes podem ser refenciados na fórmula pelo índice do vetor entre chaves {n}
* ou pelas letras de "A" a "Z", sendo "A" equivalente ao índice 0 (zero) do vetor.
*
* Exemplos: "({0} + {1} + {2}) - {3}" ou "(A + B) / (C - D) ^ 2"
*
* Precedência de Operadores (quando não há parêntesis):
* 1. Potenciação
* 2. Multiplicação e Divisão
* 3. Adição e subtração
*/
public class Expressao {
private static int TIPO_NUMERO = 1;
private static int TIPO_OPERADOR = 2;
private static int TIPO_PONTO = 3;
private static int TIPO_LETRA_AZ = 4;
private static int TIPO_CHAVE_ABRIR = 5;
private static int TIPO_CHAVE_FECHAR = 6;
private static int TIPO_PARENTESIS_ABRIR = 7;
private static int TIPO_PARENTESIS_FECHAR = 8;
private static String parentesisFaltando = "Parêntesis faltando a partir da posição {0}!";
private static String valorEsperado = "Coeficiente ou número esperado na posição {0}!";
private static String numeroEsperado = "Número esperado na posição {0}!";
private static String indiceEsperado = "Índice de coeficiente esperado na posição {0}!";
private static String chaveEsperada = "Chave de fechamento esperada na posição {0}!";
private static String divisaoPorZero = "Divisão por zero na posição {0}!";
private static String operadorEsperado = "Operador esperado na posição {0}!";
private static String indiceInvalido = "Índice de coeficiente inválido na posição {0}!";
private int posExpressao;
private int tipoElemento;
private char letra;
private String expressao;
private BigDecimal[] coeficientes;
/**
* Atalho para execução alternativa
*/
public static BigDecimal calcular(String expressao, BigDecimal[] coeficientes) {
try {
Expressao exp = new Expressao(expressao, coeficientes);
return exp.calcular();
} catch (Exception e) {
LogLE.logError(e);
return Calc.ZERO;
}
}
/**
* Atalho para execução alternativa
*/
public static BigDecimal calcular(String expressao, String[] coeficientes) {
try {
Expressao exp = new Expressao(expressao, coeficientes);
return exp.calcular();
} catch (Exception e) {
return Calc.ZERO;
}
}
/**
* Atalho para execução alternativa
*/
public static BigDecimal calcular(String expressao, Object[] coeficientes) {
try {
Expressao exp = new Expressao(expressao, coeficientes);
return exp.calcular();
} catch (Exception e) {
LogLE.logError(e);
return Calc.ZERO;
}
}
/**
* Constrói um avaliador para a expressão e respectivos coeficientes (variáveis)
*
* Exemplo: new Expressao("(A + B + C) - D", new BigDecimal[] {v1, v2, v3, v4}
*/
public Expressao(String expressao, BigDecimal[] coeficientes) throws Exception {
this.expressao = expressao.replaceAll("\\s", "").toUpperCase();
this.coeficientes = coeficientes;
this.posExpressao = -1;
}
/**
* Constrói um avaliador para a expressão e respectivos coeficientes (variáveis)
*
* Exemplo: new Expressao("({0} + {1} + {2}) - {3}", new String[] {s1, s2, s3, s4}
*/
public Expressao(String expressao, String[] coeficientes) throws Exception {
this.expressao = expressao.replaceAll("\\s", "").toUpperCase();
this.coeficientes = new BigDecimal[coeficientes.length];
for (int i = 0; i < coeficientes.length; i++) {
this.coeficientes[i] = Calc.toBigDecimal(coeficientes[i]);
}
this.posExpressao = -1;
}
/**
* Constrói um avaliador para a expressão e respectivos coeficientes (variáveis)
* Os coeficientes podem ser String, BigDecimal, Integer ou Double
*
* Exemplo: new Expressao("({0} + {1} + {2}) - {3}", new Object[] {o1, o2, o3, o4}
*/
public Expressao(String expressao, Object[] coeficientes) throws Exception {
this.expressao = expressao.replaceAll("\\s", "").toUpperCase();
this.coeficientes = new BigDecimal[coeficientes.length];
for (int i = 0; i < coeficientes.length; i++) {
if (coeficientes[i] == null) {
this.coeficientes[i] = Calc.ZERO;
} else if (coeficientes[i] instanceof String) {
this.coeficientes[i] = Calc.toBigDecimal((String) coeficientes[i]);
} else if (coeficientes[i] instanceof BigDecimal) {
this.coeficientes[i] = Calc.toBigDecimal((BigDecimal) coeficientes[i]);
} else if (coeficientes[i] instanceof Double) {
this.coeficientes[i] = Calc.toBigDecimal(((Double) coeficientes[i]).doubleValue());
} else if (coeficientes[i] instanceof Integer) {
this.coeficientes[i] = Calc.toBigDecimal(((Integer) coeficientes[i]).intValue());
} else {
//tenta converter o objeto para String e depois para BigDecimal
this.coeficientes[i] = Calc.toBigDecimal(coeficientes[i].toString());
}
}
this.posExpressao = -1;
}
//retorna verdadeiro se o próximo caracter for o início de um valor válido com ou sem sinal
private boolean ehValorSinal() {
return tipoElemento == TIPO_NUMERO || tipoElemento == TIPO_CHAVE_ABRIR || tipoElemento == TIPO_PARENTESIS_ABRIR ||
(tipoElemento == TIPO_OPERADOR && (letra == '+' || letra == '-') || tipoElemento == TIPO_LETRA_AZ);
}
/**
* Avalia a expressão de acordo com os coeficientes definidos e retorna o resultado
*/
public BigDecimal calcular() throws Exception {
BigDecimal resposta = Calc.ZERO;
proximoElemento();
if (!EOF()) {
if (!ehValorSinal()) {
Erro(valorEsperado);
}
resposta = expressaoPrecedencia();
}
while (!EOF()) {
if (tipoElemento == TIPO_OPERADOR) {
char operador = letra;
proximoElemento();
if (!ehValorSinal()) {
Erro(valorEsperado);
}
BigDecimal outroValor = expressaoPrecedencia();
if (operador == '+') {
resposta = Calc.soma(resposta, outroValor);
} else if (operador == '-') {
resposta = Calc.subtrai(resposta, outroValor);
}
} else {
Erro(operadorEsperado);
}
}
return resposta;
}
//avalia uma expressão com precedência 1, atualmente multiplicação e divisão (analisador sintático)
private BigDecimal expressaoPrecedencia() throws Exception {
BigDecimal resposta = expressaoPrecedencia2();
while (!EOF() && (tipoElemento == TIPO_OPERADOR && (letra == '*' || letra == '/'))) {
char operador = letra;
proximoElemento();
if (ehValorSinal()) {
BigDecimal outroValor = expressaoPrecedencia2();
if (operador == '*') {
resposta = Calc.multiplica(resposta, outroValor);
} else if (operador == '/') {
if (Calc.ehZero(outroValor)) {
Erro(divisaoPorZero);
}
resposta = Calc.divide(resposta, outroValor);
}
}
}
return resposta;
}
//avalia uma expressão com precedência 2, atualmente a potenciação (analisador sintático)
private BigDecimal expressaoPrecedencia2() throws Exception {
BigDecimal resposta = valorSinal();
while (!EOF() && (tipoElemento == TIPO_OPERADOR && letra == '^')) {
char operador = letra;
proximoElemento();
if (ehValorSinal()) {
BigDecimal outroValor = valorSinal();
if (operador == '^') {
resposta = Calc.potencia(resposta, outroValor);
}
}
}
return resposta;
}
//avalia um valor válido na expressão com ou sem um operador unitário (analisador sintático)
private BigDecimal valorSinal() throws Exception {
//operador unitário
if (tipoElemento == TIPO_OPERADOR && (letra == '+' || letra == '-')) {
char operadorUnitario = letra;
proximoElemento();
BigDecimal valor = valor();
if (operadorUnitario == '-') {
valor = Calc.multiplica(valor, -1);
}
return valor;
} else {
return valor();
}
}
//avalia um valor válido na expressão: {n}, 9.99, 9.99, (...), A (analisador sintático)
private BigDecimal valor() throws Exception {
if (tipoElemento == TIPO_PARENTESIS_ABRIR) {
int numParentesis = 1;
int posIni = posExpressao + 1;
do {
proximoElemento();
if (letra == '(') {
numParentesis++;
} else if (letra == ')') {
numParentesis--;
}
} while (numParentesis > 0 && posExpressao < expressao.length());
if (posExpressao >= expressao.length()) {
Erro(parentesisFaltando);
} else {
proximoElemento();
Expressao exp = new Expressao(Texto.cortar(expressao, posIni, posExpressao - posIni - 1), coeficientes);
return exp.calcular();
}
} else if (tipoElemento == TIPO_CHAVE_ABRIR) {
//coeficiente
proximoElemento();
if (EOF() || tipoElemento != TIPO_NUMERO) {
Erro(indiceEsperado);
}
int indice = numeroInteiro();
if (EOF() || tipoElemento != TIPO_CHAVE_FECHAR) {
Erro(chaveEsperada);
}
if (indice >= coeficientes.length || indice < 0) {
Erro(indiceInvalido);
}
proximoElemento();
return Calc.toBigDecimal(coeficientes[indice]);
} else if (tipoElemento == TIPO_NUMERO) {
//número
return numeroReal();
} else if (tipoElemento == TIPO_LETRA_AZ) {
int indice = letra - 'A';
if (indice >= coeficientes.length || indice < 0) {
Erro(indiceInvalido);
}
proximoElemento();
return Calc.toBigDecimal(coeficientes[indice]);
}
Erro(valorEsperado);
return null;
}
//avalia um número real no formato 9.99 (analisador sintático)
private BigDecimal numeroReal() throws Exception {
String numero = numeroTexto();
if (!EOF() && tipoElemento == TIPO_PONTO) {
proximoElemento();
if (!EOF() && tipoElemento == TIPO_NUMERO) {
numero += "," + numeroTexto();
} else {
Erro(numeroEsperado);
}
}
return Calc.toBigDecimal(numero);
}
//avalia um número inteiro (analisador sintático)
private int numeroInteiro() {
return Integer.parseInt(numeroTexto());
}
//avalia uma sequência de caracteres numéricos (analisador sintático)
private String numeroTexto() {
String num = new String(new char[] {letra});
do {
proximoElemento();
if (!EOF() && tipoElemento == TIPO_NUMERO) {
num += letra;
}
} while (!EOF() && tipoElemento == TIPO_NUMERO);
return num;
}
//analisador léxico
private void proximoElemento() {
if (posExpressao < expressao.length() - 1) {
letra = expressao.charAt(++posExpressao);
} else {
posExpressao++;
letra = 0;
}
tipoElemento = 0;
switch (letra) {
case '{':
tipoElemento = TIPO_CHAVE_ABRIR;
break;
case '}':
tipoElemento = TIPO_CHAVE_FECHAR;
break;
case '(':
tipoElemento = TIPO_PARENTESIS_ABRIR;
break;
case ')':
tipoElemento = TIPO_PARENTESIS_FECHAR;
break;
case '.':
tipoElemento = TIPO_PONTO;
break;
case '+':
case '-':
case '*':
case '/':
case '^':
case '%':
tipoElemento = TIPO_OPERADOR;
break;
default:
if (letra >= 'A' && letra <= 'Z') {
tipoElemento = TIPO_LETRA_AZ;
} else if (letra >= '0' && letra <= '9') {
tipoElemento = TIPO_NUMERO;
}
break;
}
}
//verifica se chegou ao final da expressão
private boolean EOF() {
return posExpressao >= expressao.length() ;
}
//lança um erro (Exception com descrição) quando encontrar qualquer problema na avaliação da expressão
private void Erro(String mensagem) throws Exception {
throw new Exception(MessageFormat.format(mensagem, new Object[] { Calc.imprimeInt(posExpressao) }));
}
//rotinas de inicialização de vetor com Strings
public static BigDecimal[] getVetor(String v1, String v2) {
return new BigDecimal[] {Calc.toBigDecimal(v1), Calc.toBigDecimal(v2)};
}
public static BigDecimal[] getVetor(String v1, String v2, String v3) {
return new BigDecimal[] {Calc.toBigDecimal(v1), Calc.toBigDecimal(v2), Calc.toBigDecimal(v3)};
}
public static BigDecimal[] getVetor(String v1, String v2, String v3, String v4) {
return new BigDecimal[] {Calc.toBigDecimal(v1), Calc.toBigDecimal(v2), Calc.toBigDecimal(v3), Calc.toBigDecimal(v4)};
}
public static BigDecimal[] getVetor(String v1, String v2, String v3, String v4, String v5) {
return new BigDecimal[] {Calc.toBigDecimal(v1), Calc.toBigDecimal(v2), Calc.toBigDecimal(v3),
Calc.toBigDecimal(v4), Calc.toBigDecimal(v5)};
}
public static BigDecimal[] getVetor(String v1, String v2, String v3, String v4, String v5, String v6) {
return new BigDecimal[] {Calc.toBigDecimal(v1), Calc.toBigDecimal(v2), Calc.toBigDecimal(v3),
Calc.toBigDecimal(v4), Calc.toBigDecimal(v5), Calc.toBigDecimal(v6)};
}
//com BigDecimals
public static BigDecimal[] getVetor(BigDecimal v1, BigDecimal v2) {
return new BigDecimal[] {v1, v2};
}
public static BigDecimal[] getVetor(BigDecimal v1, BigDecimal v2, BigDecimal v3) {
return new BigDecimal[] {v1, v2, v3};
}
public static BigDecimal[] getVetor(BigDecimal v1, BigDecimal v2, BigDecimal v3, BigDecimal v4) {
return new BigDecimal[] {v1, v2, v3, v4};
}
public static BigDecimal[] getVetor(BigDecimal v1, BigDecimal v2, BigDecimal v3, BigDecimal v4, BigDecimal v5) {
return new BigDecimal[] {v1, v2, v3, v4, v5};
}
public static BigDecimal[] getVetor(BigDecimal v1, BigDecimal v2, BigDecimal v3, BigDecimal v4, BigDecimal v5, BigDecimal v6) {
return new BigDecimal[] {v1, v2, v3, v4, v5, v6};
}
//com Objects
public static Object[] getVetor(Object v1, Object v2) {
return new Object[] {v1, v2};
}
public static Object[] getVetor(Object v1, Object v2, Object v3) {
return new Object[] {v1, v2, v3};
}
public static Object[] getVetor(Object v1, Object v2, Object v3, Object v4) {
return new Object[] {v1, v2, v3, v4};
}
public static Object[] getVetor(Object v1, Object v2, Object v3, Object v4, Object v5) {
return new Object[] {v1, v2, v3, v4, v5};
}
public static Object[] getVetor(Object v1, Object v2, Object v3, Object v4, Object v5, Object v6) {
return new Object[] {v1, v2, v3, v4, v5, v6};
}
}
Acho que esse é o tipo de interpretador mais simples e menos eficiente que existe. Não lembro exatamente da teoria, mas aprendi na matéria de compiladores na faculdade e sempre trouxe um código custo-benefício no sentido de que é simples para implementar e atende bem requisitos mais simples. Ou seja, não é bom para implementar uma HP12C (se quiser uma, vá no site do @epx), nem cálculos para a bolsa de valores.
Esta técnica consiste basicamente em implementar um analisador sintático com um método para cada regra da gramática, das mais complexas até as mais simples.
Se alguém tiver algo a complementar, fique à vontade para comentar.
eval
, e que você precisa basicamente construir um parser de expressões matemáticas.eval
em algo digitado pelo usuário é, no mínimo, perigoso.eval
, meu caro amigo, só não éevil
por causa de uma letra. Ele realmente pode ser do mal, porém os hackers/lammers adoram ele :)