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字符串匹配与KMP算法实现

字符串匹配问题

字符串匹配问题即在匹配串中寻找模式串是否出现,

首先想到的是使用暴力破解,也就是brute force(bf或蛮力搜索) 算法,将匹配串和模式串左对齐,然后从左向右一个一个进行比较,

如果不成功则模式串向右移动一个单位,直到匹配成功或者到达匹配串最后仍然不成功,返回失败。

很明显,这种算法有很多的地方可以优化,假设要搜索的串为s,长度为n,要匹配的串为m,长度为m,时间复杂度为o(nm)。

(1)boyer-moore算法

(2)rabin-karp算法

knuth-morris-pratt算法以三个发明者命名,knuth就是著名科学家donald knuth,鼎鼎大名, <the art of computer programming>( 简称taocp)的作者。

这种算法不太容易理解,网上有很多解释,但读起来都很费劲。直到读到jake boxer的文章,我才真正理解这种算法。下面,我用自己的语言,试图写一篇比较好懂的kmp算法解释。

1.

字符串匹配与KMP算法实现

首先,字符串"bbc abcdab abcdabcdabde"的第一个字符与搜索词"abcdabd"的第一个字符,进行比较。因为b与a不匹配,所以搜索词后移一位。

2.

字符串匹配与KMP算法实现

因为b与a不匹配,搜索词再往后移。

3.

字符串匹配与KMP算法实现

就这样,直到字符串有一个字符,与搜索词的第一个字符相同为止。

4.

字符串匹配与KMP算法实现

接着比较字符串和搜索词的下一个字符,还是相同。

5.

字符串匹配与KMP算法实现

直到字符串有一个字符,与搜索词对应的字符不相同为止。

6.

字符串匹配与KMP算法实现

这时,最自然的反应是,将搜索词整个后移一位,再从头逐个比较。这样做虽然可行,但是效率很差,因为你要把"搜索位置"移到已经比较过的位置,重比一遍。

7.

字符串匹配与KMP算法实现

一个基本事实是,当空格与d不匹配时,你其实知道前面六个字符是"abcdab"。kmp算法的想法是,设法利用这个已知信息,不要把"搜索位置"移回已经比较过的位置,继续把它向后移,这样就提高了效率。

8.

字符串匹配与KMP算法实现

怎么做到这一点呢?可以针对搜索词,算出一张《部分匹配表》(partial match table)。这张表是如何产生的,后面再介绍,这里只要会用就可以了。

9.

字符串匹配与KMP算法实现

已知空格与d不匹配时,前面六个字符"abcdab"是匹配的。查表可知,最后一个匹配字符b对应的"部分匹配值"为2,因此按照下面的公式算出向后移动的位数:

  移动位数 = 已匹配的字符数 - 对应的部分匹配值

因为 6 - 2 等于4,所以将搜索词向后移动4位。

10.

字符串匹配与KMP算法实现

因为空格与C不匹配,搜索词还要继续往后移。这时,已匹配的字符数为2("ab"),对应的"部分匹配值"为0。所以,移动位数 = 2 - 0,结果为 2,于是将搜索词向后移2位。

11.

字符串匹配与KMP算法实现

因为空格与a不匹配,继续后移一位。

12.

字符串匹配与KMP算法实现

逐位比较,直到发现c与d不匹配。于是,移动位数 = 6 - 2,继续将搜索词向后移动4位。

13.

字符串匹配与KMP算法实现

逐位比较,直到搜索词的最后一位,发现完全匹配,于是搜索完成。如果还要继续搜索(即找出全部匹配),移动位数 = 7 - 0,再将搜索词向后移动7位,这里就不再重复了。

14.

字符串匹配与KMP算法实现

下面介绍《部分匹配表》是如何产生的。

首先,要了解两个概念:"前缀"和"后缀"。 "前缀"指除了最后一个字符以外,一个字符串的全部头部组合;"后缀"指除了第一个字符以外,一个字符串的全部尾部组合。

15.

字符串匹配与KMP算法实现

"部分匹配值"就是"前缀"和"后缀"的最长的共有元素的长度。以"abcdabd"为例,

  - "a"的前缀和后缀都为空集,共有元素的长度为0;   - "ab"的前缀为[a],后缀为[b],共有元素的长度为0;   - "abc"的前缀为[a, ab],后缀为[bc, c],共有元素的长度0;   - "abcd"的前缀为[a, ab, abc],后缀为[bcd, cd, d],共有元素的长度为0;   - "abcda"的前缀为[a, ab, abc, abcd],后缀为[bcda, cda, da, a],共有元素为"a",长度为1;   - "abcdab"的前缀为[a, ab, abc, abcd, abcda],后缀为[bcdab, cdab, dab, ab, b],共有元素为"ab",长度为2;   - "abcdabd"的前缀为[a, ab, abc, abcd, abcda, abcdab],后缀为[bcdabd, cdabd, dabd, abd, bd, d],共有元素的长度为0。

16.

字符串匹配与KMP算法实现

"部分匹配"的实质是,有时候,字符串头部和尾部会有重复。比如,"abcdab"之中有两个"ab",那么它的"部分匹配值"就是2("ab"的长度)。搜索词移动的时候,第一个"ab"向后移动4位(字符串长度-部分匹配值),就可以来到第二个"ab"的位置。

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