数学表达式解析

最近碰到一个需求，要把字符串形式的表达式解析出来，交给前端或者后端去计算。比如这种：

2 * sum(2, 3) - x

核心要求不算复杂，主要是这几条：

• 支持基本的加减乘除和括号。
• 支持变量。
• 支持自定义函数。
• 最好前后端都能找到比较顺手的实现方式。

我分别看了 Java、Python 和 JavaScript 的方案，这里做个记录。

Java

1. exp4j

官网：

https://www.objecthunter.net/exp4j/#Custom_functions

参考链接：

https://ibit.tech/archives/exp4j-introduction

exp4j 对基础数学表达式的支持挺完整，接入也比较轻，语法直观，算是上手成本最低的一类方案。

它的问题主要出在自定义函数上。Function 必须提前声明参数个数，所以像 sum(1, 2, 3, 4) 这种可变参数函数，实现起来就不太舒服。

如果你的函数基本都是固定参数，比如 max(a, b)、round(x) 这种，那 exp4j 其实已经够用了。

// 几个方案里，exp4j 算是最容易上手的
public class Main {
    static Function sumFn = new Function("sum", 3) {
        @Override
        public double apply(double... args) {
            double sumResult = 0.0;
            for (double number : args) {
                sumResult += number;
            }
            return sumResult;
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        Expression expression = new ExpressionBuilder("2 * sum(2, sum(4, 5, 1), 2) - x")
                .function(sumFn)
                .variables("x")
                .build()
                .setVariable("x", 2);

        double result = expression.evaluate();
        System.out.println("Result: " + result); // 26
    }
}

2. JEP

官网：

https://www.singularsys.com/jep/doc/html/usage.html#gettingstarted

JEP 的能力会更完整一些，但我看了下文档和示例，整体用法对这次需求来说有点重，语法也不是我特别喜欢的风格，所以没有继续往下试。

3. ibit-exp4j

地址：

https://github.com/ibit-tech/ibit-exp4j

它是在 exp4j 基础上又封装了一层，但我实际看下来，并没有比直接使用 exp4j 更顺手，反而多了一层理解成本。

Java 小结

如果是 Java 场景，而且表达式能力不算特别复杂，我最后还是会优先选 exp4j。它不完美，但足够轻，也足够直接；真正的短板主要在“可变参数自定义函数”这里。

Python

Python 这边最直接的办法其实就是 eval。

它最大的优点是省事：几乎不用额外引库，表达式、变量、自定义函数都能直接跑起来。

def add(x, y):
    return x + y


def sub(x, y):
    return x - y


global_vars = {"add": add, "sub": sub}
local_vars = {"x": 3, "y": 4}

expression = "sub(5, 4) + add(x, y) * 2"
result = eval(expression, global_vars, local_vars)
print(result)  # 15

global_vars 和 local_vars 分别用来控制可用的函数和变量。如果不传，默认会落到当前全局作用域。

但 eval 最大的问题也很明显：它太灵活了，所以安全性会差一些。

如果表达式内容来自用户输入，或者来自不可信配置，直接使用 eval 风险非常大。这种方式更适合：

• 内部系统。
• 表达式来源完全可控的场景。
• 临时脚本或者原型验证。

如果要做成正式产品能力，最好还是加一层白名单和语法限制，或者直接换成更安全的表达式解析方案。

JavaScript

JavaScript 这边我最后看到的是 math.js，整体体验是三种语言里最顺手的。

官网：

https://mathjs.org/docs/expressions/parsing.html

它不只是支持普通数学表达式，还支持变量、函数、单位换算，parser 的状态管理也比较方便。

const parser = math.parser()

parser.evaluate('sqrt(3^2 + 4^2)')
parser.evaluate('x = 7 / 2')
parser.evaluate('f(x, y) = x^y')
parser.evaluate('f(2, 3)')

parser.set('hello', function (name) {
  return 'hello, ' + name + '!'
})

parser.evaluate('hello("user")')

如果前端要做表达式输入、预计算、公式编辑器这类功能，math.js 的可用性确实很高，能省掉不少自己造轮子的工作。

最后怎么选

如果只基于这次需求，我的结论大概是这样：

• Java：选 exp4j，适合基础数学表达式和固定参数自定义函数。
• Python：eval 最省事，但一定要限定在可信输入场景。
• JavaScript：math.js 最完整，前端场景基本可以直接用。

如果是要做一套“允许用户自由输入公式”的通用能力，我会更偏向下面这种组合：

• 前端用 math.js。
• 后端不要直接用 eval。
• Java 侧如果表达式规则相对固定，就用 exp4j。

补一句

这类需求真正难的，往往不是“算出来”，而是“让用户能安全、稳定、可控地算出来”。

语法支持只是第一步，后面通常还会碰到这些问题：

• 函数白名单怎么限制。
• 变量怎么注入。
• 非法表达式怎么报错。
• 精度怎么处理。

所以表达式解析这玩意，看起来像是个小功能，做起来其实也挺不容易哦。