【Android入门01】教你从0开发一个计算器软件——say No to “Hello world”，say Hi to Calculator

本文会手把手教你如何从0搭建一个系统自带的计算器应用。

前言

计算器应用只是一个普通的系统原生应用，并不设计数据库、网络交互的内容，也不需要使用MVVM等设计模式和高级的Jetpack组件。只要搞清界面设计和运算逻辑两部分，任何人都可以轻松的实现该应用。

界面设计

可以很清楚的看到，主要界面主要分为运算过程显示区、运算结果显示区和用户交互区。

界面基本搭建

1.使用两条水平guideline对界面进行划分，guideline1位于30%处，guideline1上方为运算过程显示区；guideline2位于38%处，guideline1与guideline2之间是运算结果显示区。
2.使用vector asset生成所需按键，不过这里的加减乘除和数字都可以直接用TextView进行代替，只有撤回按钮（undo）需要生成矢量图。

3.如何生成四角圆形的按钮
3.1在drawable文件夹中生成一个drawable resource file（可绘制资源文件），内容如下。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<shape xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"><corners android:radius="10dp" /><size android:height="60dp"android:width="60dp" />
</shape>

corners用来定义圆角的弧度，这里可以随个人喜好定制；size用来定义控件的宽度和高度。

3.2 在控件中指定background属性为刚刚定义的可绘制资源文件。

android:background="@drawable/round_shape"

通过查看android:backgroud属性的源码可知，该属性的格式可以是具体的颜色，也可以是对可绘制资源文件的引用，所以在此处我们可以在drawable resource file中自行定义想要的控件格式并进行引用。

 <!-- A drawable to use as the background.  This can be either a referenceto a full drawable resource (such as a PNG image, 9-patch,XML state list description, etc), or a solid color such as "#ff000000"(black). --><attr name="background" format="reference|color" />

4.对控件进行约束
将横排的四个控件选中，点击右键 —— Chains —— Horizontal Chain Style —— spread，对控件添加横向约束。竖排的依此类推，也是创建Vertical Chain，4个横排和4个竖排都要执行此步骤。

这里一共有三种模式，分别是spread，spread_inside和packed。这里我直接放上谷歌开发者文档中的介绍，不难看出我们的布局需要使用第一种，也就是spread这种样式。

5.用到的颜色资源如下，浅灰色：#7D7D7D，深灰色：#636363，橙色：#E99D28。（这里我是仿照ios计算器的UI设计，使用mac自带的拾色器对mac原生计算器的颜色资源进行拾取）。
6.使用backgroundTint属性为控件设置背景颜色，textColor属性设置文字颜色。

android:background="@drawable/round_shape"
android:textColor="@color/white"
android:backgroundTint="#E99D28"

这里的background属性和backgroundTint属性较为容易混淆。通过阅读源码可知，backgroundTint属性主要是设置背景的颜色，只能指定color；而background属性可以理解为设置背景的样式，可选的有颜色和引用。
这里我们使用的是对可绘制资源文件的饮用。那么如果background属性指定为颜色又会发生什么呢？这里的颜色指的不是一个具体颜色，而是一个color的资源文件，可以设置控件和文字被选中时的颜色和未选中时的颜色。

 <!-- Tint to apply to the background. --><attr name="backgroundTint" format="color" /><!-- A drawable to use as the background.  This can be either a referenceto a full drawable resource (such as a PNG image, 9-patch,XML state list description, etc), or a solid color such as "#ff000000"(black). --><attr name="background" format="reference|color" />

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<selector xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"><item android:color="#F5C713" android:state_checked="true" /><item android:color="#7C7B7E" android:state_checked="false" />
</selector>

7.添加两个textView放入过程显示区和结果显示区，并添加约束。
8.养成良好的编程习惯，对控件ID进行修改，注意这里的修改建议在design模式下，在右侧属性栏里进行修改，这样的修改才可以影响全局。如果只是在code模式中进行修改，就只是修改了当前控件的id值，其他引用到该控件的地方无法得到自动更新，需要自己手动去改。

运算逻辑

刚刚的界面设计部分只是开胃菜，如何实现四则运算及混合运算，才是这个应用的重难点。

计算机中的四则运算是如何实现的？

如果你对数据结构有一定了解，那么你一定知道在计算机中，计算机是把中缀表达式（eg： 1 + 2）转化为后缀表达式（eg：1 2 + ）的形式，后缀表达式也称为逆波兰表达式（Reverse Polish Notation）。
使用后缀表达式有以下几点优点：
1.去掉括号后表达无歧义，比如中缀表达式（1 + 2） * （3 + 4），转化为后缀表达式就是((1 2 +)(3 4 +)*)，此时拆掉括号变为1 2 + 3 4 + *照样不会有任何歧义。如果是中缀表达式，计算机在遍历到括号部分还需要先对括号内内容进行计算，将会大大减慢计算机的处理速度。
2.方便使用栈（Stack）这种数据结构进行存储，遇到数字则入栈，遇到运算符则取出栈顶前2个数字进行计算，并压入栈中。
leetcode150 计算逆波兰表达式，这是一道关于栈和逆波兰表达式的经典算法题，可以加深对栈和后缀表达式的理解。

在本应用中，可以使用后缀表达式进行混合四则运算吗？

答案是可以。不过鉴于阅读本文的可能绝大部分都是新手，所以这里采用的是最暴力的【模拟】方法，对表达式进行遍历和求解。至于如何【将中缀表达式转化为后缀表达式】，文末会简单提及。

本应用中，该如何模拟四则运算呢？

本应用中混合四则运算的核心思路，是用2个数组，分别存储数字和操作符号，并用2个指针从头开始遍历。如下所示：
表达式：1 + 2 x 3 + 6 x 4 x 5 - 1
数字数组numList：1，3，4，6，4，5，1
运算符数组operatorList：+，x，+，x，-
一开始，数字指针指向1，运算符指针指向+。对运算符指针指向的运算符进行判断，如果当前运算符为高优先级运算符（乘号、除号、取余）则直接计算；若该运算符为低优先级运算符（加号、减号），则需分为两种情况讨论：1.这是最后一个运算符 2.接下来的运算符也是加减。如果满足上述两种情况，则取出数字数组中当前位置的下一位数字，并直接进行运算。
如果不满足上述2种情况，即【该运算符为低优先级运算符，且后面的运算符是高优先级运算符】，则数字数组当前位置的下一个位置开始用while循环进行遍历，直到下一个低优先级运算符为止。对应到本例中，即先完成2 x 3的计算，再将计算结果与1进行计算。

具体实现

用一个calculate函数封装运算逻辑

private fun calculate(param1: Float, operator: String, param2: Float): Float {var res = 0.0fwhen (operator) {"+" -> res = param1 + param2"—" -> res = param1 - param2"x" -> res = param1 * param2"÷" -> res = param1 / param2"%" -> res = param1 % param2}return res}

对点击数字按钮的事件进行封装，并在数字0 ——数字9的点击事件中调用此函数

private fun numberButtonClicked(view: View) {val textView = view as TextViewcurrentInputStringBuilder.append(textView.text)if (isNumStart) {numList.add(textView.text.toString())isNumStart = false} else {if (currentInputStringBuilder.contains('.')) {numList[numList.lastIndex] = currentInputStringBuilder.toString()} else {numList[numList.lastIndex] = currentInputStringBuilder.toString()}}showProcess()showResult()}

对点击运算符的事件进行封装，并在加减乘除取余符号的点击事件中调用此函数

 private fun operatorButtonClicked(view: View) {if (operatorList.size < numList.size) {val textView = view as TextViewoperatorList.add(textView.text.toString())currentInputStringBuilder.clear()isNumStart = trueshowProcess()}}

对运算过程进行及时更新

private fun showProcess() {val sb = StringBuilder()for ((i, num) in numList.withIndex()) {sb.append(num)if (i < operatorList.size) {sb.append(" ${operatorList[i]} ")}}process_textView.text = sb.toString()}

展示当前运算结果

private fun showResult() {if (numList.size > 0) {var i = 0var param1 = numList[0].toFloat()var param2 = 0.0fif (operatorList.size > 0) {while (true) {val operator = operatorList[i]//若当前运算符为乘除，则直接运算if (operator == "x" || operator == "÷" || operator == "%") {if (i + 1 < numList.size) {param2 = numList[i + 1].toFloat()param1 = calculate(param1, operator, param2)}} else {//若当前运算符为加减，则先考虑 1.这是最后一个运算符 和 2.接下来的运算符也是加减 这两种情况if (i == operatorList.size - 1 || (operatorList[i + 1] == "+" || operatorList[i + 1] != "—")) {if (i + 1 < numList.size) {param2 = numList[i + 1].toFloat()param1 = calculate(param1, operator, param2)}} else {//后面还有运算符且运算符是乘除var j = i + 1var mParam1 = numList[j].toFloat()var mParam2 = 0.0fwhile (true) {if (j == operatorList.size) breakif (operatorList[j] == "x" || operatorList[j] == "÷" || operatorList[j] == "%") {if (j + 1 < numList.size) {mParam2 = numList[j + 1].toFloat()mParam1 = calculate(mParam1, operatorList[j], mParam2)}} else {break}j++}param2 = mParam1param1 = calculate(param1, operator, param2)i = j - 1}}if (++i == operatorList.size) {break}}}result_textView.text = String.format("%.2f", param1)} else {result_textView.text = "0"}}

代码的其他部分，如撤销按钮，取反按钮，清空按钮等的具体实现详见github。

一些坑

记得考虑前导0的情况

例如“0001”这种输入，显然是不合法的；这里应该对这种情况进行判断。
如何优雅的避免前导0：在输入时，我们并没有对前导0进行判断。如果要在输入时进行判断，显然要对数字0的数字进行单独的处理，例如判断当前输入的数字0是否是第一位，如果是第一位但是整个数字只有一位则不做处理【eg：数字0】，如果后面还有其他数字【eg：数字09】，则修改当前数字为9。这种判断方法显然是不够优雅的。
本文的实现方式是：不在输入时进行处理，但在输出时进行处理。我们使用的是一个StringBuilder来存储输入的数字，当我们调用toFloat()方法是，前导0会自动被去掉。（包括0000这种情况，也只会显示一个0）。这是kotlin为我们封装好的函数，底层调用了Java中的parseFloat（）。现在知道Kotlin有多香了吧

判断多个符号连续输入

多个符号连续输入，例如【1 ++2】，显然是不合法的。你只需要判断operatorList的大小和numList的大小即可，只有operatorList.size < numList.size才执行点击事件。因为操作符数组的大小必然是小于等于数字数组的大小的。比如【1 + 2 + 】，【1】这种情况，一旦操作符数组大小超过数字数组大小，例如【1+2+3++】，这种情况就是不合法的。

其他bug，例如在没有数字或运算符的情况下按取反按钮，撤回按钮等

这种情况会报空指针异常，记得做边界处理

如何实现浮点数运算

这里我们的实现逻辑是。***当输入小数点时，对UI界面进行更新（过程显示区），但不对numList数组进行更新。***原因是如果对numList数组进行更新，此时numList中最后一个数就会变成形如【99.】这种情况，这显然不是一个合法的数字。如果此时我们按下下一个操作符，那这个不合法的数字就会一直被存储在数字数组中。正确做法是，当我们输入下一个数字时候，此时再将小数点和当前数字一同更新到numList数组中。
这里要注意，一次输入中最多只能包含一个小数点，并且小数点不能在数字的开头

为什么数字数组的类型是String而不是Float

理论上，数字数组的类型是Int还是买了String都可以，无非就是如果存储的是String类型，进行操作的时候要转化成具体数字在操作，如果存储的是Float类型，在进行操作时要转化成String再进行操作罢了。这里有一个被忽略的问题是，如果数字数组的类型是Float，那么当输入小数点后，在输入0时，例如【0.000】我们希望这个过程可以完整的展示在屏幕上（后面可能还会有其他数字输入，所以此时该输入是合法的），但由于StringBuilder会调用toFloat（）方法，所以存储进数字数组时，这些后置的0是会被自动省略的。这个toFloat（）方法在帮我们去除前导0的同时，也把我们想要的后置0给去掉了，也许这就是欲戴皇冠，必承其重吧。所以这里数字数组只能选用String进行存储。

题外话：如何将中缀表达式转化为后缀表达式

用一个StringBuilder储存数字，用一个栈储存运算符，若栈为空或当前运算符的优先级比栈顶元素更高，则将当前运算符入栈；若当前运算符和栈顶元素的优先级一样或较低，则弹出栈顶元素并拼接到StringBuilder中，再将该操作符入栈。
转化为后缀表达式后，再用栈进行操作即可。有兴趣的朋友可以实践一下，将本应用的计算逻辑替换为后缀表达式 + 栈，试着实现一下，此处不再过多赘述。
此处借用另一位博主的文章的图：中缀表达式转后缀表达式详解

写在最后

第一次认认真真写了一篇长文，希望可以帮助到有需要的人，还有考虑不周的地方请多包涵。
完整代码地址：CalculatorDemo
其他文章：Android入门02】教你从0实现一个手势解锁页面——Let‘s unveil the world