大整數(shù)的加減乘除

前言

申明兩個(gè)基本函數(shù)
boolean isNumeric(String num);
int compareTwoBigInt(String num1, String num2);

/**
 *判斷某字符串是否為大整數(shù)
 */
public static boolean isNumeric(String num){
    if(num == null || num.length() == 0) return false;
    if(num.length() > 1 && num.charAt(0) == '0') return false;//長(zhǎng)度大于1時(shí)尤莺,首位為0,返回false
    Pattern pattern = Pattern.compile("[0-9]*");
    return pattern.matcher(num).matches();
}
/**
* 判斷兩個(gè)有效大整數(shù)的大小
* @param num1
* @param num2
* @return 1 if num1 > num2, or 0 if num1 = num2, or -1 if num1 < num2
*/
public static int compareTwoBigInt(String num1, String num2){
    if(num1.length() > num2.length()) return 1;
    if(num1.length() < num2.length()) return -1;
    for(int i = 0; i < num1.length(); i ++){
        if(num1.charAt(i) > num2.charAt(i)) return 1;
        if(num1.charAt(i) < num2.charAt(i)) return -1;
    }
    return 0;
}
加法
/**
 * 大整數(shù)【帶符號(hào)】求和
 * @param num1
 * @param num2
 * @return
 */
public static String Add(String num1, String num2) {
    if(num1 == null || num2 == null || num1.length() == 0 || num2.length() == 0) return null;
    //獲取被加數(shù)生棍、加數(shù)的符號(hào)
    String sign = "";
    if(num1.charAt(0) == '+' || num1.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num1.charAt(0);
        num1 = num1.substring(1);
    }
    else sign = "*";
    if(num2.charAt(0) == '+' || num2.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num2.charAt(0);
        num2 = num2.substring(1);
    }
    else sign += "*";
    //輸入合法性檢測(cè)
    if(!isNumeric(num1) || !isNumeric(num2)) throw new IllegalArgumentException("illegal input");
    
    String res = "";
    String flag = "";
    //比較去符號(hào)后num1和num2大小
    //-1: num1 < num2
    // 0: num1 = num2
    //+1: num1 > num2
    int cmp = compareTwoBigInt(num1, num2);
    //被加數(shù)颤霎、加數(shù)同為正數(shù)或者同為負(fù)數(shù)
    if(sign.equals("++") || sign.equals("+*") || sign.equals("*+") || sign.equals("**") || sign.equals("--")){
        //若num1<num2,交換二者的值
        //System.out.println("num1 = " + num1 + "\tnum2 = " + num2 + "\tcmp = " + cmp);
        if(cmp < 0){
            String t = num1;
            num1 = num2;
            num2 = t;
        }
        //System.out.println("num1 = " + num1 + "\tnum2 = " + num2 + "\tcmp = " + cmp);
        flag = sign.equals("--") == true ? "-" : "";//被加數(shù)、加數(shù)同為正數(shù)時(shí)涂滴,符號(hào)為正友酱,否則為負(fù)
        int i = num1.length() - 1, j = num2.length() - 1;
        int carry = 0, base = '0' * 2;//進(jìn)位、'0'的Ascii碼值的兩倍
        //從低位開(kāi)始求和
        for(; i >= 0 && j >= 0; i --, j --){
            int sum = num1.charAt(i) + num2.charAt(j) - base + carry;
            //計(jì)算進(jìn)位柔纵、低位值
            if(sum >= 10){
                carry = 1;
                sum -= 10;
            }
            else carry = 0;
            res = sum + res;
        }
        //num1>num2,處理num1還沒(méi)求和的高位值
        for(; i >= 0; i --){
            int sum = num1.charAt(i) - '0' + carry;
            if(sum >= 10){
                carry = 1;
                sum -= 10;
            }
            else carry = 0;
            res = sum + res;
            //System.out.println("res = " + res);
        }
        if(carry >= 1) res = carry + res;//判斷num1最高位求和后有無(wú)進(jìn)位
    }
    //被加數(shù)缔杉、加數(shù)一正一負(fù)
    else{
        if(cmp == 0) return "0";//若二者相等,返回結(jié)果0
        else if(cmp > 0){
            if(sign.equals("-+") || sign.equals("-*")) flag = "-";//去符號(hào)后num1>num2時(shí)首量,num1為負(fù)數(shù)
        }
        else{
            String t = num1;
            num1 = num2;
            num2 = t;
            if(sign.equals("+-") || sign.equals("*-")) flag = "-";//去符號(hào)后num1<num2時(shí)壮吩,num2為負(fù)數(shù)
        }
        int borrow = 0, i, j;//借位
        //從低位開(kāi)始求差
        for(i = num1.length() - 1, j = num2.length() - 1; i >= 0 && j >= 0; i --, j --){
            int left = num1.charAt(i) - num2.charAt(j) + borrow;
            //更新借位进苍、低位值
            if(left < 0){
                borrow = -1;
                left += 10;
            }
            else borrow = 0;
            res = left + res;
            //System.out.println("left = " + left + "\tborrow = " + borrow + "\ti = " + i + "\tj = " + j + "\tres = " + res);
        }
        //保證了num1 > num2加缘,處理num1還未求差的高位
        for(; i >=0; i --){
            int left = num1.charAt(i) - '0' + borrow;
            if(left < 0){
                borrow = -1;
                left += 10;
            }
            else borrow = 0;
            res = left + res;
        }           
    }
    return flag + res;
}
減法
/**
 * 大整數(shù)【帶符號(hào)】求差
 * @param num1
 * @param num2
 */
public static String Minus(String num1,String num2){
    if(num1 == null || num2 == null || num1.length() == 0 || num2.length() == 0) return "-1";
    //獲取被減數(shù)、減數(shù)的符號(hào)
    String sign = "";
    if(num1.charAt(0) == '+' || num1.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num1.charAt(0);
        num1 = num1.substring(1);
    }
    else sign = "*";
    if(num2.charAt(0) == '+' || num2.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num2.charAt(0);
        num2 = num2.substring(1);
    }
    else sign += "*";
    //輸入合法性檢測(cè)
    if(!isNumeric(num1) || !isNumeric(num2)) throw new IllegalArgumentException("illegal input");
    
    String res = "";
    String flag = "";
    int cmp = compareTwoBigInt(num1, num2);//比較去符號(hào)后num1和num2的大小
    //System.out.println("cmp = " + cmp + "\tnum1 = " + num1 + "\tnum2 = " + num2);
    //被減數(shù)和減數(shù)正負(fù)相反觉啊,則轉(zhuǎn)化為加法問(wèn)題
    if(sign.equals("+-") || sign.equals("*-") || sign.equals("-+") || sign.equals("-*")){
        if(sign.equals("+-") || sign.equals("*-")) flag = "";
        else flag = "-";
        //num1<num2時(shí)交換二者的值
        if(cmp < 0){
            String t = num1;
            num1 = num2;
            num2 = t;
        }
        int i = num1.length() - 1, j = num2.length() - 1, carry = 0, base = '0' * 2;
        for(; i >= 0 && j >= 0; i --, j --){
            int sum = num1.charAt(i) + num2.charAt(j) - base + carry;
            if(sum >= 10){
                carry = 1;
                sum -= 10;
            }
            else carry = 0;
            res = sum + res;
        }
        for(; i >= 0; i --){
            int sum = num1.charAt(i) - '0' + carry;
            if(sum >= 10){
                carry = 1;
                sum -= 10;
            }
            else carry = 0;
            res = sum + res;
        }
        if(carry >= 1) res = carry + res;
    }
    //被減數(shù)拣宏、減數(shù)同正同負(fù)
    else{
        //判斷num1與num2的大小,再根據(jù)sign確認(rèn)最終符號(hào)位
        //若num1小于num2, 交換二者且符號(hào)位僅當(dāng)num1杠人、num2的符號(hào)位均為正時(shí)為負(fù)
        if(cmp == 0) return "0";
        if(cmp < 0){
            String t = num1;
            num1 = num2;
            num2 = t;
            if(!sign.equals("--")) flag = "-";//num1<num2時(shí)勋乾,num1、num2同負(fù)時(shí)結(jié)果為正嗡善;否則結(jié)果為負(fù)
        }
        //若num1>num2辑莫, 符號(hào)位僅當(dāng)原num1、num2的符號(hào)位均為負(fù)時(shí)為負(fù)
        else{
            if(sign.equals("--")) flag =  "-";
        }
        int borrow = 0, i, j;//借位
        //低位開(kāi)始求差
        for(i = num1.length() - 1, j = num2.length() - 1; i >= 0 && j >= 0; i --, j --){
            int left = num1.charAt(i) - num2.charAt(j) + borrow;
            if(left < 0){
                borrow = -1;
                left += 10;
            }
            else borrow = 0;
            res = left + res;
        }
        //保證了num1 > num2
        for(; i >=0; i --){
            int left = num1.charAt(i) - '0' + borrow;
            if(left < 0){
                borrow = -1;
                left += 10;
            }
            else borrow = 0;
            res = left + res;
        }           
    }
    int i = 0;
    for(; i < res.length(); i ++) if(res.charAt(i) != '0') break;
    return flag + res.substring(i);     
}
乘法
/**
 * 大整數(shù)【帶符號(hào)】求積
 * @param num1
 * @param num2
 * @return
 */
public static String Multiply(String num1, String num2){
    if(num1 == null || num2 == null || num1.length() == 0 || num2.length() == 0) return null;
    String sign = "";
    if(num1.charAt(0) == '+' || num1.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num1.charAt(0);
        num1 = num1.substring(1);
    }
    else sign = "*";
    if(num2.charAt(0) == '+' || num2.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num2.charAt(0);
        num2 = num2.substring(1);
    }
    else sign += "*";
    
    //輸入合法性檢測(cè)
    if(!isNumeric(num1) || !isNumeric(num2)) throw new IllegalArgumentException("illegal input");
    
    //獲取符號(hào)位
    String flag = "", res = "";
    if(sign.equals("+-") || sign.equals("-+") || sign.equals("-*") || sign.equals("*-")) flag = "-";
    if(num1.equals("0") || num2.equals("0")) return "0";
    if(num1.equals("1")) return num2;
    if(num2.equals("1")) return num1;
    
    int[] multiply = new int[num1.length() + num2.length() - 1];
    int base = '0';
    //num1[i] * num2[j]得到的乘積為結(jié)果第i+j個(gè)位置的值
    for(int i = 0; i < num1.length(); i++)
        for(int j = 0; j < num2.length(); j ++)
            multiply[i + j] +=  (num1.charAt(i) - base) * (num2.charAt(j) - base);
    int carry = 0;
    //從低位開(kāi)始求進(jìn)位及低位對(duì)應(yīng)值
    for(int i = num1.length() + num2.length() - 2; i >= 0; i --){
        multiply[i] += carry;
        carry = multiply[i] / 10;
        multiply[i] %= 10;
        res = multiply[i] + res;
    }
    //處理最高位的進(jìn)位
    if(carry > 0) res = carry + res;
    return flag + res;
}
除法:減法
/**
 * 大整數(shù)【帶符號(hào)】求商
 * @param num1
 * @param num2
 */
public static String Divide(String num1,String num2){
    
    if(num1 == null || num2 == null || num1.length() == 0 || num2.length() == 0) return null;
    String sign = "";
    if(num1.charAt(0) == '+' || num1.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num1.charAt(0);
        num1 = num1.substring(1);
    }
    else sign = "*";
    if(num2.charAt(0) == '+' || num2.charAt(0) == '-'){
        sign = sign + num2.charAt(0);
        num2 = num2.substring(1);
    }
    else sign += "*";
    
    //輸入合法性檢測(cè)
    if(!isNumeric(num1) || !isNumeric(num2)) throw new IllegalArgumentException("illegal input");
    
    //獲取符號(hào)位
    if(num2.charAt(0) == '0') throw new IllegalArgumentException("illegal input");
    int cmp = compareTwoBigInt(num1, num2);
    if(num1.charAt(0) == '0' || cmp < 0) return "0";
    if(cmp == 0) return "1";
    String flag = "";
    if(sign.equals("+-") || sign.equals("-+") || sign.equals("-*") || sign.equals("*-")) flag = "-";
    
    int res = 0;
    String result = "0";
    while(num1.charAt(0) != '-' && !num1.equals("0")){
        num1 = Minus(num1, num2);
        if(res + 1 < Integer.MAX_VALUE) res += 1;
        else{
            result = Add(result, Integer.toString(res));
            res = 1;
        }
    }
    if(num1.charAt(0) == '-') res -= 1;
    System.out.println("res = " + res);
    result = Add(result, Integer.toString(res));
    return result;
}
    
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