Mathematical Expression Calculator - Variant 3

👥 Участники проекта

Student 1: Specification Engineer

• GitVerse аккаунт: @penguinqq
• Роль: Создание системной спецификации (codex.md) на основе варианта 3

Student 2: Developer

• GitVerse аккаунт: @alisa_boules
• Роль: Реализация кода калькулятора по спецификации
• Инструменты: VS Code + AI-ассистент (cursor)

Student 3: Code Reviewer

• GitVerse аккаунт: @JohnReed7
• Роль: Код-ревью и контроль соответствия спецификации

Дополнительно: @penguinqq был в роли Student 2: Developer у @alisa_boules

---

📋 Описание проекта

Mathematical Expression Calculator — консольное приложение на C#, которое парсит математические выражения в инфиксной нотации, преобразует их в обратную польскую запись (postfix) с помощью алгоритма Shunting Yard и вычисляет результат с использованием стека.

Основные возможности

• 📥 Ввод выражений в инфиксной форме:
  5 + 3 * 2
  ,
  (10 - 2) * 5
  ,
  2 ^ 3 ^ 2
  .
• 🔃 Конвертация Infix → Postfix (Reverse Polish Notation) по алгоритму Shunting Yard.
• 🧮 Вычисление postfix-выражения с помощью стека с поддержкой операторов
  +
  ,
  -
  ,
  *
  ,
  /
  ,
  ^
  .
• 🧱 Обработка скобок и приоритета операций, включая право-ассоциативный оператор возведения в степень.
• 🚫 Детальная обработка ошибок: деление на ноль, некорректные символы, подряд идущие операторы, несбалансированные скобки и т.п.

---

🛠️ Технологии и инструменты

• Язык: C# (.NET 6.0+).
• Тип приложения: Console Application.
• Парадигма: Object-Oriented Programming (OOP) с выделенными классами для токенизации, валидации, конвертации и вычисления.
• Алгоритмы:
  • Shunting Yard (Dijkstra) — преобразование инфиксной нотации в postfix.
  • Стековая интерпретация postfix-выражений.
  • Собственная реализация возведения в степень без
    Math.Pow()
    (через цикл и аппроксимации).
• Библиотеки:
  • System
    ,
    System.Collections.Generic
    , ограниченно
    System.Linq
    (
    Select
    ,
    Where
    ,
    ToList
    ).
• IDE: Visual Studio Code.

---

📁 Структура репозитория

• Файл
  codex.md
  содержит формальное описание System Prompt, данных, функциональных требований, ограничений и критериев приёмки для варианта 3.
• Файл
  solution.cs
  реализует все описанные классы и консольное меню.
• Файл
  artefacts.md
  содержит реальные логи общения с приложением: корректные вычисления и обработку ошибок.

---

💻 Описание кода

Архитектура приложения

Основной код расположен в пространстве имён

и разделён на несколько ключевых компонентов.

1.

TokenType

и

Token

Перечисление

описывает типы токенов: Number, Operator, LeftParen, RightParen, Invalid. Класс

Token

хранит:

• Type
  — тип токена.
• Value
  — строковое значение (например,
  "5"
  ,
  "+"
  ,
  "("
  ).
• Position
  — индекс символа в исходном выражении для точной диагностики ошибок.

2.

ExpressionTokenizer

Отвечает за лексический разбор строки выражения в список токенов.

Основные задачи:

• Пропуск пробелов и разделение по символам.
• Распознавание:
  • скобок
    (
    и
    )
    ,
  • операторов
    +
    ,
    -
    ,
    *
    ,
    /
    ,
    ^
    ,
  • чисел (целые и вещественные, с проверкой формата).
• Генерация
  FormatException
  при некорректных символах или числе.

3.

ExpressionValidator

Проверяет корректность структуры выражения до конвертации и вычисления.

• Validate()
  — общий вход: проверка непустого списка, баланса скобок и корректной последовательности токенов.
• ValidateParentheses()
  — стек для проверки баланса
  (
  /
  )
  .
• ValidateTokenSequence()
  — отфильтровывает скобки и проверяет:
  • что выражение не начинается/не заканчивается оператором;
  • что не встречаются подряд два оператора или два числа;
  • формирует человекочитаемые сообщения об ошибках с указанием позиции.

Примеры из

подтверждают корректную обработку ошибок:

5++

,

5+

,

0 + (9 * 0))

,

y - 3

.

4.

InfixToPostfixConverter

Реализует алгоритм Shunting Yard для преобразования списка токенов из инфиксной формы в postfix.

• Используется стек операторов и список выходных токенов.
• Учитывается приоритет (
  +/- < */ < ^
  ) и ассоциативность (для
  ^
  — правая).
• Выбрасывает ошибку при несоответствии скобок (дополнительная защита).

5.

PostfixEvaluator

Вычисляет значение postfix-выражения с помощью стека чисел.

• Числа парсятся в
  double
  и помещаются в стек.
• При встрече оператора достаются два операнда и выполняется операция в
  ApplyOperator()
  .
• Деление на ноль генерирует
  DivideByZeroException
  , который затем преобразуется в сообщение
  Division by zero
  для пользователя.
• Возведение в степень реализовано вручную в методе
  Power()
  , без
  Math.Pow()
  .

6.

Calculator

Высокоуровневый фасад, который связывает все этапы:

1. Tokenize → 2. Validate → 3. Convert (Infix→Postfix) → 4. Evaluate.

Возвращает кортеж: успешность, результат, строку postfix и сообщение об ошибке.

7.

Program

Точка входа с интерактивным меню.

Команды:

1. Calculate expression
   — ввод выражения, показ postfix и результата, цикл с
   Continue? (y/n)
   .
2. Show operator precedence
   — вывод таблицы приоритетов и ассоциативности.
3. Show example expressions
   — демонстрация корректных выражений и ожидаемых результатов.
4. Exit
   — завершение работы.

---

🎯 Ключевые особенности реализации

✅ Соответствие спецификации (codex.md)

• Используются все требуемые классы:
  ExpressionTokenizer
  ,
  ExpressionValidator
  ,
  InfixToPostfixConverter
  ,
  PostfixEvaluator
  ,
  Calculator
  ,
  Program
  .
• Соблюдены ограничения:
  • нет встроенных вычислителей выражений и
    DataTable.Compute()
    ;
  • возведение в степень реализовано вручную, без
    Math.Pow()
    ;
  • стек используется как основная структура данных для вычисления.
• Обрабатываются все описанные в спецификации граничные случаи: пустой ввод, некорректные числа, неверные символы, несбалансированные скобки, деление на ноль и др.

🔧 Алгоритмы и сложность

• Shunting Yard и стековая интерпретация работают за O(n) по длине выражения (один проход по токенам).
• Память — O(n) за счёт хранения списка токенов и стека операторов/операндов.

🧪 Демонстрационные артефакты

Логи в

показывают:

• Корректные вычисления:
  6 / 3 → 2,000000
  ,
  5+7 → 12,000000
  ,
  5-7 → -2,000000
  .
• Правильную обработку ошибок: деление на ноль, лишняя скобка, неверные символы, отсутствующие операнды.

---

🚀 Как запустить

Требования

• Установленный .NET SDK 6.0 или новее.

Шаги

При запуске появится меню:

---

📊 Процесс работы над проектом

Этап 1: Спецификация (Student 1)

• Анализ варианта 3 «Калькулятор с обработкой выражений» из
  task_variants.md
  .
• Подготовка формальной спецификации в
  codex.md
  :
  • System Prompt, ограничения, форматы ввода/вывода;
  • структура данных (Token, Operator Metadata);
  • функциональные требования к классам и методам;
  • список edge cases и критерии приёмки.

Этап 2: Реализация (Student 2)

• Импорт спецификации в контекст AI-ассистента и последовательная генерация кода.
• Реализация всех классов и меню в одном файле
  solution.cs
  для упрощения проверки.
• Тестирование на примерах из
  codex.md
  и дополнительных сценариях.

Этап 3: Демонстрация и ревью (Student 3)

• Запуск приложения и запись логов работы в
  artefacts.md
  .
• Визуальная фиксация процесса командной работы и пары «spec → code → review» в
  teamcoding*.jpg
  .
• Проверка соответствия кода требованиям спецификации и корректности обработки ошибок.

---

🎓 Выводы

В ходе проекта команда:

• Закрепила навыки работы с парсингом строк, стеками и алгоритмом Shunting Yard на C#.
• Научилась строить приложение строго по формальной спецификации и проверять его по чек-листу критериев приёмки.
• Отработала процесс командной разработки: разделение ролей (Specification Engineer, Developer, Reviewer), использование AI-ассистентов и документирование артефактов работы.