Java常用数字工具类大数乘法、加法、减法运算（2）

2019-11-26 12:19:58

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供稿：网友

上篇分享了一下数字转汉字的小功能，这里再分享一下大数相乘、相加、相减的功能。其他的不做过多的铺垫了，我先讲一下各个功能的计算原理。

Ⅰ. 乘法运算

为什么先说乘法运算――因为我先做了乘法运算。其实思路也是很多的，但是最终我参考了网络上的一种计算方案，然后做了很多的修改。感觉这个在思路上应该是比较简单的。

简单点说：把数拆分成整数小数分别进行乘法运算，然后将结果放入一个特定长度的数组中，在放入是要计算存放的偏移位置，最后再对这个进行处理（进位、标记等），得到最终的结果。
是不是有点晕。请我详细说一下吧：

首先还得把数都拆成整数+小数，然后采用的是（x1+x2）（y1+y2）=x1y1+x1y2+x2y1+x2y2。这种方式来计算的，这样来算，都变成了整数的运算了。要简单很多。但是4个结果怎么累加起来计算呢，这就是第二步。
要申明一个int数组，长度=整数长度和+小数长度和+1（小数点占1位）。通过实验，我们可以看到任意2个整数相乘结果都不会超过这2个数的长度和。
人为计算乘法的时候就是按右向左一位一位的计算的（低位对齐），所以为了对齐低位，我们将整数和小数全部反转，并且转化为char数组，方便运算。然后进行4次乘法。
按位进行乘法运算，采用双层for循环完成这个操作。这里最为天才的idea就是――不进位。当然必须得弄清楚整数相乘放在数组的哪些个位置、小数相乘存放的开始位置，以及整数和小数相乘结果存放的开始位置。
处理结果集合，将>=10的做进位处理。
这一步也是很有才的想法――对小数点位置进行标记，而不是直接替换成“.”（int数组也不能直接设定(/ □ /)）。
有了第6步的想法，就有了第7步的做法，处理整数部分头部的0和小数部分末尾的0，都是无效数字，这里同样采用标记的方式来处理
最后将结果集合进行反转输出，遇到小数点标记和无效0标记直接替换和跳过。

这就是基本的思路了。后面又再次基础上加上了负数的判断、数字格式的判断等，自己看注释就可以明白了。
代码如下：

//标记为小数点 private static final int DOT=-99; //标记为无效数字 private static final int INVALID=-100;  /**  * 大数乘法  *  * @param a  第一个数  * @param b  第二个数  * @return  最终结果  */ public static String multiply(String a, String b){   //检查数字格式   checkNum(a);   checkNum(b);    //标记最终结果是否为负值   boolean minus=false;    //判断是否有带着-号   if(a.startsWith("-") || b.startsWith("-")){     //判断是否全带着-号     if(a.startsWith("-") && b.startsWith("-")){     }else{       //只有1个带着-号，则结果为负值       minus=true;     }     if(a.startsWith("-")){       a = a.substring(1);     }     if(b.startsWith("-")){       b = b.substring(1);     }   }    //获取a,b的整数和小数部分   String a_int = getInt(a);   String a_fraction = getFraction(a);   String b_int = getInt(b);   String b_fraction = getFraction(b);    //计算小数部分的总长度   int len_fraction = a_fraction.length() +b_fraction.length() ;    //a,b两个数乘积的最大位数不会超过总位数之和+小数点（1位）   int len = len_fraction +a_int.length()+b_int.length()+1;    //创建结果数组   int[] result = new int[len];//默认全为0    //为了方便计算，去掉小数点（最后在结果中加上小数点）   //并将高低位对调(反转是为了低位对齐)，最终转化为char数组   char[] s_a_int = reverseStr(a_int);   char[] s_a_fraction = reverseStr(a_fraction);   char[] s_b_int = reverseStr(b_int);   char[] s_b_fraction = reverseStr(b_fraction);    //将a、b都拆分成整数+小数，然后   //采用（x1+x2）（y1+y2）=x1y1+x1y2+x2y1+x2y2公式，分别计算乘积   multiply(s_a_int, s_b_int, len_fraction, result);   multiply(s_a_int, s_b_fraction, (len_fraction-s_b_fraction.length), result);   multiply(s_b_int, s_a_fraction, (len_fraction-s_a_fraction.length), result);   multiply(s_a_fraction, s_b_fraction, 0, result);    // 处理结果集合，如果是大于10的就向前一位进位，本身进行除10取余   accumulateResultArrays(result);    //标记小数点位置   markDot(len_fraction, result);    //切掉无用的0   cutUnusedZero(len_fraction, result);    //然后将数据反转   return (minus?"-":"") + reverseResult(result); }  /**  * 反转字符串，并转化为数组  *  * @param s    原字符串  * @return  */ private static char[] reverseStr(String s) {   return new StringBuffer(s).reverse().toString().toCharArray(); }  /**  * 计算2个数的每一位的乘积，放入到对应的结果数组中（未进位）  *  * @param a  第一个数  * @param b  第二个数  * @param start  开始放入的偏移位置  * @param result  结果数组  */ private static void multiply(char[] a, char[] b, int start , int[] result){   // 计算结果集合   for (int i = 0; i < a.length; i++) {     for (int j = 0; j < b.length; j++) {       result[i + j + start] += (int) (a[i] - '0') * (int) (b[j] - '0');     }   } }  /**  * 累加每一位，超过10则然后进位  *  * @param result  结果数组  */ private static void accumulateResultArrays(int[] result) {   for (int i = 0; i < result.length; i++) {     if (result[i] >= 10) {       result[i + 1] += result[i] / 10;       result[i] %= 10;     }   } }  /**  * 标记小数点位置  *  * @param len_fraction  小数长度  * @param result  结果数组（反转的）  */ private static void markDot(int len_fraction, int[] result) {   if(len_fraction>0){     //标记小数点位置     for (int i = result.length-1 ; i > len_fraction; i--) {       result[i] = result[i-1];     }     result[len_fraction]=DOT;//标记小数点位置   } }  /**  * 去掉不必要的0（包括整数最前面的和小数最后面的0）  *  * @param len_fraction  小数长度  * @param result    结果数组  */ private static void cutUnusedZero(int len_fraction, int[] result) {   //去掉小数部分不必要的0   boolean flag_0_fraction = true;//标记一直是0   for (int i =0; i< len_fraction; i++) {     if(flag_0_fraction && result[i]==0){       result[i]=INVALID;//为0时标记为无效     }else{       flag_0_fraction=false;       break;     }   }    //去掉整数部分的0   boolean flag_0_int=true;   for (int i =result.length-1; i > len_fraction || (len_fraction==0 && i==0); i--) {     if(flag_0_int && result[i]==0){       result[i]=INVALID;//为0时标记为无效     }else{       flag_0_int=false;//遇到不为0时，停止。       break;     }   }   if(flag_0_int){//整数部分全为0     result[len_fraction+1]=0;     if(flag_0_fraction){//同时，小数部分也全为0       result[len_fraction]=INVALID;//不需要小数点了，所以置为无效     }   }else{//整数部分不为0     if(flag_0_fraction && len_fraction>0){//小数部分全为0       result[len_fraction]=INVALID;//不需要小数点了，所以置为无效     }   } }  /**  * 反转结果，替换小数点，跳过无效的0  *  * @param result    结果数组  * @return  */ private static String reverseResult(int[] result) {   //反转   StringBuffer sb = new StringBuffer();   for (int i = result.length - 1; i >= 0; i--) {     if(result[i]>INVALID){       sb.append(result[i]==DOT ? "." : result[i]);     }   }   return sb.toString(); }

我们继续说第二个。

Ⅱ. 加法运算

有了上面的思路做铺垫，下面的加法和减法基本上都可以秒懂了。负数及数字格式的判断就直接略过了。直接说最基本的思路。

前两步同乘法运算。拆分整数+小数，声明一个int数组存放结果。长度为a b整数最大的长度+1+小数最大长度+1（小数点位）。因为加法最多位数比最大长度大1，所以有一个+1。
结果是整数和+小数和，整数要低位对齐，所以要反转，小数则不用反转。
用一个for循环来计算2个整数或者小数的和，同样不进位。
剩下的同乘法4-8步。

代码放在最后看吧。接着来说说减法。

Ⅲ. 减法运算

其实减法跟加法在代码上看，更类似。详细说一下：（忽略负数及数字格式的判断）

前三步同加法运算。拆分整数+小数，声明一个int数组存放结果。长度为a b整数最大的长度+小数最大长度+1（小数点位）。结果是整数差+小数差。
还是用一个for循环计算2个数的差，这里不是不进位了，而是不借位。
处理结果结合跟加法和乘法不一样，加法和乘法都是进位，这里是借位，所以处理不太一样。
剩下同加法。

具体代码如下：

/**  * 大数加法  *  * @param a  第一个数  * @param b  第二个数  * @return  最终结果  */ public static String add(String a, String b){   //检查数字格式   checkNum(a);   checkNum(b);    //标记最终结果是否为负值   boolean minus=false;    //判断是否有带着-号   if(a.startsWith("-") || b.startsWith("-")){     //判断是否全带着-号     if(a.startsWith("-") && b.startsWith("-")){       //2个都带着-号，结果肯定为负值       minus=true;       if(a.startsWith("-")){         a = a.substring(1);       }       if(b.startsWith("-")){         b = b.substring(1);       }     }else{       //如果只有一个是负值，则调用减法来完成操作       if(a.startsWith("-")){//a是负数         a = a.substring(1);         return subduct(b, a);       }else{         b = b.substring(1);         return subduct(a, b);       }      }   }    //获取a,b的整数和小数部分   String a_int = getInt(a);   String a_fraction = getFraction(a);   String b_int = getInt(b);   String b_fraction = getFraction(b);    //计算小数部分最大长度   int len_fraction = Math.max(a_fraction.length(), b_fraction.length());    //计算整数部分最大长度   int len_int = Math.max(a_int.length(), b_int.length())+1;    //a,b两个数整数最大长度和小数最大长度之和+小数点（1位）   int len = len_fraction + len_int+1;    //创建结果数组   int[] result = new int[len];//默认全为0    //为了方便计算，去掉小数点（最后在结果中加上小数点）   //将【整数部分】高低位对调(反转是为了低位对齐)，最终转化为char数组   //小数部分不用调整   char[] s_a_int = reverseStr(a_int);   char[] s_b_int = reverseStr(b_int);   char[] s_a_fraction = a_fraction.toCharArray();   char[] s_b_fraction = b_fraction.toCharArray();    //采用整数+整数，小数+小数的方式运算   add(s_a_int, s_b_int, len_fraction, result);   add(s_a_fraction, s_b_fraction, 1-len_fraction, result);    // 处理结果集合，如果是大于10的就向前一位进位，本身进行除10取余   accumulateResultArrays(result);    //标记小数点位置   markDot(len_fraction, result);    //切掉无用的0   cutUnusedZero(len_fraction, result);    //然后将数据反转   return (minus ? "-" : "")+reverseResult(result); }  /**  * 计算2个数的每一位的和，放入到对应的结果数组中（未进位）  *  * @param a  第一个数  * @param b  第二个数  * @param start  开始放入的偏移位置  * @param result  结果数组  */ private static void add(char[] a, char[] b, int start , int[] result){   char[] c=null;   //保证a是位数多的，如果b长度大于a，则交换a，b   if(b.length>a.length){     c=a;     a=b;     b=c;   }   // 计算结果集合，a的位数>=b的位数   int i = 0, j=0;   for (; i < a.length && j< b.length; i++,j++) {     result[Math.abs(i + start)] += (int) (a[i] - '0') + (int) (b[j] - '0');   }   //如果a没有处理完毕，直接把a剩下的值赋值给结果数组即可   for (; i < a.length; i++) {     result[Math.abs(i + start)] += (int) (a[i] - '0');   }   if(c!=null){//如果交换过，则再交换回来     c=a;     a=b;     b=c;   }   c=null; }  /**  * 大数减法  *  * @param a  第一个数  * @param b  第二个数  * @return  最终结果  */ public static String subduct(String a, String b){   //检查数字格式   checkNum(a);   checkNum(b);    //标记最终结果是否为负值   boolean minus=false;    //判断是否有带着-号   if(a.startsWith("-") || b.startsWith("-")){     //判断是否全带着-号     if(a.startsWith("-") && b.startsWith("-")){       //2个都带着-号       if(a.startsWith("-")){         a = a.substring(1);       }       if(b.startsWith("-")){         b = b.substring(1);       }       return subduct(b, a);     }else{       //如果只有一个是负值，则调用加法来完成操作       if(a.startsWith("-")){//a是负值，b是非负值         return add(a, "-"+b);//2个负值的加法运算       }else{//b是负值         b = b.substring(1);         return add(a, b);//2个正值的加法运算       }     }   }    //获取a,b的整数和小数部分   String a_int = getInt(a);   String a_fraction = getFraction(a);   String b_int = getInt(b);   String b_fraction = getFraction(b);    boolean isSame = false;   //判断大小   if(b_int.length()>a_int.length()){     //如果b>a     return "-"+subduct(b, a);   }else if(b_int.length()==a_int.length()){     char[] s_a = a_int.toCharArray();     char[] s_b = b_int.toCharArray();     for (int i = 0; i < s_a.length; i++) {       if(s_b[i]>s_a[i]){         minus=true;         isSame=false;         break;       }else if(s_b[i]<s_a[i]){         isSame=false;         break;       }else{         isSame = true;       }     }     if(isSame){//整数部分全部相同，对比小数部分       s_a = a_fraction.toCharArray();       s_b = b_fraction.toCharArray();       for (int i = 0; i < Math.min(s_a.length, s_b.length); i++) {         if(s_b[i]>s_a[i]){           minus=true;           isSame=false;           break;         }else if(s_b[i]<s_a[i]){           isSame=false;           break;         }else{           isSame = true;         }       }       if(isSame){//前部分全相同         if(s_b.length>s_a.length){//前部分全相同，b小数位数多,则 b>a           return "-"+subduct(b, a);         }else if(s_b.length == s_a.length){           return "0";         }       }else if(minus){//如果b>a         return "-"+subduct(b, a);       }     }   }     //计算小数部分最大长度   int len_fraction = Math.max(a_fraction.length(), b_fraction.length());    //计算整数部分最大长度   int len_int = Math.max(a_int.length(), b_int.length());    //a,b两个数整数最大长度和小数最大长度之和+小数点（1位）   int len = len_fraction + len_int+1;    //创建结果数组   int[] result = new int[len];//默认全为0    //为了方便计算，去掉小数点（最后在结果中加上小数点）   //将【整数部分】高低位对调(反转是为了低位对齐)，最终转化为char数组   //小数部分不用调整   char[] s_a_int = reverseStr(a_int);   char[] s_b_int = reverseStr(b_int);   char[] s_a_fraction = a_fraction.toCharArray();   char[] s_b_fraction = b_fraction.toCharArray();    //采用整数+整数，小数+小数的方式运算   subduct(s_a_int, s_b_int, len_fraction, result);   subduct(s_a_fraction, s_b_fraction, 1-len_fraction, result);    // 处理结果集合，如果是大于10的就向前一位进位，本身进行除10取余   subductResultArrays(result);    //标记小数点位置   markDot(len_fraction, result);    //切掉无用的0   cutUnusedZero(len_fraction, result);    //然后将数据反转   return (minus ? "-" : "")+reverseResult(result); }  /**  * 计算2个数的每一位的差，放入到对应的结果数组中（未进位）  *  * @param a  第一个数  * @param b  第二个数  * @param start  开始放入的偏移位置  * @param result  结果数组  */ private static void subduct(char[] a, char[] b, int start , int[] result){   // 计算结果集合，a的位数>=b的位数   int i = 0, j=0;   for (; i < a.length && j< b.length; i++,j++) {     result[Math.abs(i + start)] +=((int) (a[i] - '0') - (int) (b[j] - '0'));   }   //如果a没有处理完毕，直接把a剩下的值赋值给结果数组即可   for (; i < a.length; i++) {     result[Math.abs(i + start)] +=((int) (a[i] - '0'));   }   //如果a没有处理完毕，直接把a剩下的值赋值给结果数组即可   for (; i < b.length; i++) {     result[Math.abs(i + start)] +=-((int) (b[i] - '0'));   } }  /**  * 检查每一位，小于0（不含标记的小数点未和无效的0）则然后向高位借位。  *  * @param result  结果数组  */ private static void subductResultArrays(int[] result) {   for (int i = 0; i < result.length-1; i++) {     if (result[i] < 0 && result[i]>DOT) {       result[i + 1]--;       result[i] += 10;     }   } }

写个main方法测试一下吧：

public static void main(String[] args) {   String a = "9213213210.4508";   String b = "12323245512512100.4500081";   String r = multiply(a, b);   System.out.println(a+"*"+b+"="+r);   String r1 = add(a, b);   System.out.println(a+"+"+b+"="+r1);   String r2 = subduct(a, b);   System.out.println(a+"-"+b+"="+r2); }

测试结果如下：